DE102005006666A1 - Piezoelektrischer Sensor und dessen Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor, der aus einem piezoelektrischen Messwertaufnehmer, einer Verstärkerschaltung sowie mindestens einem Anschluss für externe Strom- oder Signalleitungen besteht, wobei diese Elemente auf oder in einer Trägerstruktur integriert sind. Der Sensor ermöglicht dabei eine Messung bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen. Verwendung findet der erfindungsgemäße piezoelektrische Sensor zur Schwingungs-, Beschleunigungs- oder Auslenkungsmessung, insbesondere im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor, der aus einem piezoelektrischen Messwertaufnehmer, einer Verstärkerschaltung sowie mindestens einem Anschluss für externe Strom- oder Signalleitungen besteht, wobei diese Elemente auf oder in einer Trägerstruktur integriert sind. Der Sensor ermöglicht dabei eine Messung bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen. Verwendung findet der erfindungsgemäße piezoelektrische Sensor zur Schwingungs-, Beschleunigungs- oder Auslenkungsmessung, insbesondere im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie.
  • Piezoelektrische Sensoren werden auf dem Gebiet der Schwingungsmessung, der Beschleunigungserfassung und Messung geringster Auslenkungen im Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt und in der Automobilindustrie seit vielen Jahren eingesetzt. Bei piezoelektrischen Materialien lässt sich die Umwandlung von mechanischen Deformationen in eine elektrische Ladung (direkter piezoelektrischer Effekt) und in Umkehrung ebenso die Ausdehnung des piezoelektrischen Werkstoffes bei Anlegen eines elektrischen Feldes nutzen. Technisch am weitesten verbreitet ist die Zusammensetzung PbZrTiO3 (PZT) in unterschiedlichen Dotierungen.
  • Die piezoelektrischen Messwertaufnehmer bestehen aus elektrodierbaren und kontaktierbaren Materialien, z.B. aus Quarz, Aluminiumnitrid (ALN), PbZrTiO3 (PZT), Keramiken oder einem piezoelektrischen Polymer, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), in unterschiedlicher geometrischer Größe und Form. So können sie als Keramikscheiben, als dünne Folien als Schichten auf unterschiedlichsten metallischen, halbleitenden oder isolierenden Substraten, als Fasern, z.B. eingebettet in eine Kunstharzmatrix, als Röhrchen oder Stäbchen vorliegen. Je nach Einsatzfall werden flexible oder starre Messwertaufnehmer bevorzugt.
  • Die Piezoelemente können ein sehr weites Frequenzspektrum von nahezu statischen Vorgängen bis zu mehreren MHz sensorisch wie auch aktuatorisch abdecken. So ist der sensorische Einsatz von piezoelektrischen Materialien als Ultraschallwandler für medizinische oder materialuntersuchende Zwecke weit verbreitet.
  • Wegen der hohen Empfindlichkeit auf mechanische Deformationen und dem sehr schnellen Ansprechverhalten werden die piezoelektrischen Messwertaufnehmer in Kombination mit einer entsprechenden elektronischen Verstärkerschaltung auch als Beschleunigungssensoren, z.B. als Aufprallsensoren in Kraftfahrzeugen, eingesetzt.
  • Piezoelektrische Messwertaufnehmer zur Messung von Dehnung, Druck, Kraft oder Beschleunigung aus unterschiedlichen Materialien sind in unterschiedlichen Größen, Geometrien, z.B. Schichten, Scheiben, Fasern, Röhren, oder Bauformen bekannt (WO 90/13010). Für die Befestigung abhängig von Messobjektgeometrie, – material, -belastung sind beliebig realisierbare Versionen des Klebens, mechanischen Klemmens oder Einarbeitens in Strukturen, z.B. aus Verbundmaterialien, bekannt (WO 99/26046).
  • Ladungsverstärker als Ladungs-, Strom-, Spannungswandler, meist als Operationsverstärkerschaltungen, können im Messgerätebereich als modulare Lösungen eingesetzt werden, z.B. Firma Kistler oder BRUEL & Kjaer oder MMF. Eine Messbereichsumschaltung kann über eine Kapazitätsänderung in der elektronischen Schaltung erfolgen oder durch Zu- oder Abschaltung von einzelnen Messwertaufnehmern. Die elektronischen Verstärkerschaltungen oder Umsetzer können auch temperaturkompensiert sein, wodurch eine Veränderung des Verstärkungsverhaltens abhängig von der Temperatur der Verstärkerschaltung vermieden wird. Zusätzliche Treiberschaltungen für lange Messleitungen sind ebenfalls bereits bekannt ( EP 0 551 538 , US 4,157,510 , EP 0 768 533 ). Eine Temperaturkompensation der Ladungsdrift aufgrund des pyroelektrischen Effektes wird durch Anordnung mehrerer Messwertaufnehmer hintereinander oder durch eine elektronische Hochpassschaltung realisiert ( US 5,095,751 , DE 68 905 913 ).
  • Eine Integration und Kombination sowohl bezüglich des Messwertaufnehmers mit dem Verstärker als auch des kompletten Sensors auf oder in das Messobjekt ist aus dem Spezialbereich der Atomic Force Microscope (AFM)-Technik bekannt (WO 96/08701). Eine Temperaturkompensation ist dem hier beschriebenen System jedoch nicht zu entnehmen.
    •
  • Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem bereitzustellen, das eine größtmögliche Integration von Bauteilen ermöglicht, was zu einer miniaturisierten und sehr kostengünstigen Ausführung eines piezoelektrischen Sensors führt. Ein derartiger Sensor soll an beliebige Messobjekte hinsichtlich Größe und Form anpassbar sein, sodass z.B. auch sehr flache Sensorelemente ermöglicht werden.
  • Diese Aufgabe wird durch den piezoelektrischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das diesen piezoelektrischen Sensor enthaltende Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In den Ansprüchen 15 bis 17 werden erfindungsgemäße Verwendungen des Sensors genannt.
  • Erfindungsgemäß wird ein piezoelektrischer Sensor bereitgestellt, der eine Trägerstruktur, mindestens einen piezoelektrischen Messwertaufnehmer, eine Verstärkerschaltung sowie mindestens einen Anschluss für externe Strom- und/oder Signalleitungen aufweist.
  • Besonderes Merkmal des erfindungsgemäßen Sensors ist, dass gleichzeitig ein Thermosensor enthalten ist und die Verstärkerschaltung eine Temperaturkompensation enthält. Hierdurch wird es ermöglicht, dass mit der Verstärkerschaltung variable Temperaturbedingungen in der Umgebung berücksichtigt werden können.
  • Die Integration aller zuvor beschriebenen Komponenten des piezoelektrischen Sensors auf einem Träger bietet den großen Vorteil, ein Messsystem mit hoher mechanischer Flexibilität, geringster Baugröße und minimaler Kosten bereitzustellen. Die kostengünstige Fertigung ist hierbei insbesondere auf die Verstärkerschaltung zurückzuführen, die in Halbleitertechnologie herstellbar ist. Die Temperaturkompensation des vom piezoelektrischen Messwertaufnehmers stammenden Ladungssignals macht das System unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen während der Messung.
  • Der miniaturisierte Aufbau und gegebenenfalls die mechanische Flexibilität ermöglichen die Integration des Sensors in Verbundbauteile oder das Aufbringen des Sensors auf beliebigen Messobjekten, ohne deren mechanische Beschaffenheit oder Form stark zu beeinflussen.
  • Die Anordnung der beschriebenen Komponenten des Sensors, d.h. des Messwertaufnehmers, der Verstärkerschaltung, des Anschlusses, der Sensorleitung und des Temperatursensors ist beliebig, insofern die Anforderungen hinsichtlich der Miniaturisierung des Sensors erfüllt sind.
  • Vorzugsweise ist als Verstärkerschaltung eine Operationsverstärkerschaltung Bestandteil des Sensors. Dieser basiert auf Halbleiterschaltungen, die mittels Halbleitertechnologien herstellbar sind.
  • Vorzugsweise weist die Verstärkerschaltung eine zusätzliche Anpassungs- und Treiberstufe auf, die es ermöglicht, auch lange Strom- und/oder Signalleitungen unterschiedlichster Bauart und mit unterschiedlichsten elektrischen Kennwerten, z.B. hinsichtlich der Kapazität oder der Impedanz, an den Sensor anschließen zu können.
  • Die Verstärkerschaltung besteht vorzugsweise aus mehreren einzelnen Verstärkerstufen.
  • Die Kapazität der Verstärkerschaltung wird dabei durch eine besondere Schaltung realisiert, einem sog. Kapazitätsmultiplizierer, bestehend aus einem weiteren Operationsverstärker und einer vergleichsweise kleinen noch integrierbaren Beschaltung verhält sich die Stufe wie ein Kondensator, deren nominaler Wert um bis zu Faktor 100 größer sein kann als die Ausgangskapazität.
  • Als Trägerstruktur eignen sich grundsätzlich alle Materialien, die eine Miniaturisierung des Sensors gestatten. Besonders bevorzugt sind dabei Materialien als Trägerstruktur, die eine einfache und kostengünstige Herstellung erlauben. Als bevorzugte Materialien sind hier z.B. Kunststoff, Metall, Halbleiter oder Keramik zu nennen.
  • Der mindestens eine Messwertaufnehmer besteht aus einem piezoelektrischen Material. Vorzugsweise besteht er dabei aus Quarz, ZnO, AlN, PbZrTiO3 (PZT) oder aus einem piezoelektrischen Polymer, insbesondere Polyvinylidenfluorid (PVDF). Der Messwertaufnehmer kann dabei sowohl aus einer Schicht (unimorph) aus zwei Schichten (bimorph) oder aus mehreren Schichten (multimorph) aufgebaut sein. Hinsichtlich der Geometrie des Messwertaufnehmers bestehen keinerlei Beschränkungen, vielmehr sind diese beliebig an den Anwendungszweck anpassbar. So kann ein Messwertaufnehmer z.B. in Form einer Scheibe, als dünne Folie, als Faser, als Röhrchen oder auch als Stäbchen vorliegen.
  • Ebenso ist es möglich, dass mehrere Messwertaufnehmer auf der Trägerstruktur angeordnet sind.
  • Die piezoelektrischen Messwertaufnehmer sind vorzugsweise in kürzester Distanz mit der Verstärkerschaltung verbunden. In einer bevorzugten Variante sind die Messwertaufnehmer und die Verstärkerschaltung übereinander, z.B. in verschiedenen Schichten geordnet. Der Abstand kann dabei im Bereich zwischen 1 μm bis 10 mm liegen. Eine andere bevorzugte Variante sieht vor, dass Messwertaufnehmer und Verstärkerschaltung lateral, d.h. nebeneinander in einer Fläche, angeordnet sind. Hierbei kann der Abstand zwischen Messwertaufnehmer und Verstärkerschaltung im Bereich zwischen 10 μm bis 100 mm liegen. Auf diese Weise können elektromagnetische Störeinflüsse auf ein Minimum reduziert werden.
  • Zur Anpassung an die Größe und Form des Messobjektes oder zur Integration in ein Verbundbauteil ist der piezoelektrische Sensor vorzugsweise dünn und mechanisch flexibel oder umformbar gestaltet. Es können aber auch beliebige piezoelektrische Messwertaufnehmer an die Verstärkerschaltung angeschlossen werden.
  • Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass der Sensor einen Anschluss aufweist, über den eine externe Spannungsquelle anschließbar ist. Hierfür kommen sowohl eine Gleich- wie auch eine Wechselspannungsquelle in Frage. Die Spannungsquelle dient dabei der Änderung der Verstärkung einer oder mehrerer Verstärkerstufen in der Verstärkerschaltung. Auf diese Weise wird eine Kalibrierung bzw. Nachkalibrierung zu beliebigen Zeitpunkten ermöglicht. Dies ist somit auch möglich, wenn der erfindungsgemäße Sensor bereits in ein Messobjekt bzw. Verbundbauteil integriert ist.
  • Der erfindungsgemäße Sensor kann mit konventionellen Methoden der Aufbau- und Verbindungstechnik hergestellt werden und die einzelnen Komponenten können z.B. durch Klebeverfahren, Die-Bonding und Bump-Techniken, z.B. als Flip-Chip, sowie Wire-Bonding-Verfahren aufgebracht werden.
  • Um den Sensor und insbesondere die Elektronik vor mechanischen, thermischen und chemischen, und hier insbesondere korrosiven Beanspruchungen zu schützen, können Dünnschichten zur Passivierung auf dem Sensor aufgebracht sein. Diese können vorzugsweise aus einem Elastomer, einem Thermoplasten, einem thermoplastischen Elastomer oder einem Duromer bestehen. Eine andere bevorzugte Variante sieht vor, dass eine Dünnschicht aus einem anorganisch-organischen Hybridpolymer, wie es in der WO 93/25604 beschrieben ist, aufgebracht wird. Die Beschichtung kann dabei beispielsweise im Tauchverfahren erfolgen. Durch derartige Schichten, die bevorzugt eine Dicke von < 10 μm und besonders bevorzugt eine Dicke von < 5 μm aufweisen, kann eine platzsparende Passivierung des Sensors erfolgen.
  • Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verbundbauteil bereitgestellt, das den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensor aufweist. Bestandteile des Verbundbauteils können dabei ganz allgemein Metalle, Holz, Gläser, Polymere und keramische Werkstoffe sein. Unter Verbundwerkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung ist somit auch beispielsweise ein metallisches Bauteil, z.B. in Form von Rohren, zu verstehen, an dem der erfindungsgemäße Sensor mittels Klebeverbindung angebracht ist.
  • Vorzugsweise besteht das Verbundbauteil aus einem Kunststoff oder aus einem Kunststoff-Laminat. Im Bereich der Kunststoffe sind hierbei insbesondere Carbonfaser-verstärkte Kunststoffe (CFK), Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und Aramid-verstärkte Kunststoffe zu nennen.
  • Verwendung findet der erfindungsgemäße piezoelektrische Sensor im Bereich der Schwingungs-, Beschleunigungs- und/oder Auslenkungsmessung. Typische Anwendungsfelder betreffen hierbei den Maschinenbau, die Luft- und Raumfahrt bzw. die Automobilindustrie. Ein typisches Beispiel für die Verwendung derartiger Systeme ist ein Aufprallsensor in Kraftfahrzeugen.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränken zu wollen.
    •
  • 1 zeigt eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensors.
  • 2 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensors.
  • 3 zeigt eine elektronische Schaltungsvariante der Verstärkerschaltung.
  • In 1 ist eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Sensors dargestellt. Auf der Trägerstruktur 1 ist dabei ein piezoelektrischer Messwertaufnehmer 2 integriert. Als weitere Bestandteile weist der Sensor eine Verstärkerschaltung 3 in Form eines Chips auf. Die Verstärkerschaltung kann mittels Halbleitertechnologie in einer Größenordnung von z.B. etwa 3 × 3 mm2 hergestellt werden. Zwischen dem Messwertaufnehmer und der Verstärkerschaltung ist zusätzlich ein Thermosensor 4 angeordnet. In Kombination mit der in der Verstärkerschaltung integrierten Temperaturkompensation können so Messungen auch bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen in der Umgebung durchgeführt werden. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Sensor einen Anschluss 5, z.B. in Form eines Steckkontaktes, auf, an den externe Strom- und/oder Signalleitungen 6 angeschlossen werden können. Für den Fall, dass Strom- und/oder Signalleitungen unterschiedlicher Bauart und mit unterschiedlichen elektrischen Kennwerten an den Sensor angeschlossen werden sollen, ist in der Verstärkerschaltung 3 zusätzlich eine Treiberstufe integriert. Weiterhin sind in der Figur Leiterbahnen 8 zu erkennen, die die einzelnen Bauteile untereinander verbinden.
  • In 2 ist eine Seitenansicht des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensors dargestellt. Auf der Trägerstruktur 1, die z.B. aus Kunststoff mit Metall oder Keramik besteht, ist ein piezoelektrischer Messwertaufnehmer 2 angeordnet. Im vorliegenden Fall besteht dieser aus einer Piezo-Dünnschicht mit einer Dicke von etwa 2 μm. Auf der der Trägerstruktur abgewandten Seite des piezoelektrischen Messwertaufnehmers ist zusätzlich eine Isolationsschicht angeordnet, die eine Dicke von etwa 30 μm aufweist. Weiterer Bestandteil des erfindungsgemäßen Sensors ist eine Verstärkerschaltung in Form eines Chips, der etwa 0,3 mm dick ist. Zwischen dem piezoelektrischen Messwertaufnehmer 2 und der Verstärkerschaltung 3 ist ein Temperaturfühler angeordnet, der im vorliegenden Fall eine Dicke von 0,05 mm besitzt. An dem anderen Ende der Trägerstruktur 1 ist ein Anschluss 5 in Form eines Steckkontaktes angeordnet, an den ein Sensorkabel, z.B. eine Strom- oder Signalleitung, anschließbar ist. Durch den hier beschriebenen miniaturisierten Aufbau können sehr dünne Sensoren hergestellt werden. Die hier beschriebene Variante weist dabei eine Dicke von nicht mehr als 0, 5 mm auf.
  • In 3 ist eine Variante eines Schaltbildes der Verstärkerschaltung dargestellt. Das Schaltbild besteht dabei aus drei wesentlichen Elementen. So besteht die Einheit A aus der Eingangsstufe, die einen Ladungsverstärker aufweist. Die maximal zu verarbeitende Ladung und die maximal mögliche Ausgangsspannung bestimmen über einen linearen Zusammenhang den Wert des Ladungskondensators. Die Zeitkonstante aus R und C ist sehr groß, um sehr niedrige Frequenzen des Ladungssignals ohne Amplituden- und Phasenfehler auswerten zu können.
  • Die Verstärkerschaltung weist weiterhin die Einheit B auf. Hierbei handelt es sich um eine Vorstufe, die aus einem Rail-to-Rail-Operationsverstärker aufgebaut ist. Der nominale Verstärkungsfaktor beträgt 1. Über eine externe eingespeiste Spannung kann in einem engen Bereich der Nominalwert kleiner (Dämpfung) bzw. größer (Verstärkung) gewählt werden.
  • Der dritte wesentliche Bestandteil des Schaltbildes bezieht sich auf die Einheit C, die einen weiteren Verstärker aufweist. Dieser Verstärker erzeugt die Common Mode-Spannung (Vdd-2) und legt damit den Arbeitspunkt der beiden anderen Stufen fest.
  • Das Zusammenwirken der drei beschriebenen Elemente stellt somit den integrierten Ladungsverstärker dar.

Claims (17)

  1. Piezoelektrischer Sensor enthaltend eine Trägerstruktur (1), mindestens einen piezoelektrischen Messwertaufnehmer (2), eine Verstärkerschaltung (3) sowie mindestens einen Anschluss für externe Strom- und/oder Signalleitungen (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Thermosensor (4) aufweist und die Verstärkerschaltung eine Temperaturkompensation enthält.
  2. Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor monolithisch aufgebaut ist.
  3. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (3) eine Operationsverstärkerschaltung ist.
  4. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärker schaltung (3) eine Treiberstufe aufweist, die den Anschluss langer Messkabel ermöglicht.
  5. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (1) aus einem Kunststoff, einem Metall, einem Halbleiter oder einer Keramik besteht.
  6. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Messwertaufnehmer (2) aus Quarz, ZnO, AlN, PbZrTiO3 (PZT) oder einem piezoelektrischen Polymer, insbesondere Polyvinylidenfluorid (PVDF) besteht.
  7. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Messwertaufnehmer (2) unimorph, bimorph oder multimorph aufgebaut ist.
  8. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Messwertaufnehmer (2) in Form einer Scheibe, als dünne Folie, Faser, Röhrchen und/oder Stäbchen vorliegt.
  9. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor flexibel ist.
  10. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens einen Anschluss (7, 7') aufweist, über den eine externe Spannungsquelle zur Änderung der Verstärkung und damit zur Kalibrierung des Sensors anschließbar ist.
  11. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur Passivierung eine Dünnschicht, insbesondere aus einem Elastomer, einem Thermoplasten, einem thermoplastischen Elastomer oder einem Duromer, aufweist.
  12. Piezoelektrischer Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschicht aus einem anorganisch-organischen Hybridpolymer besteht.
  13. Verbundbauteil enthaltend einen piezoelektrischen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  14. Verbundbauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil einen Kunststoff oder ein Kunststofflaminat enthält.
  15. Verwendung des piezoelektrischen Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Schwingungs-, Beschleunigungs- und/oder Auslenkungsmessung.
  16. Verwendung nach Anspruch 15 im Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt und/oder in Automobilindustrie.
  17. Verwendung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche als Aufprallsensor in Kraftfahrzeugen.
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