DE102005024636B3

DE102005024636B3 - Temperatursensor

Info

Publication number: DE102005024636B3
Application number: DE200510024636
Authority: DE
Inventors: Niels van der Dr. Laag
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: WO2006128830A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor (1), aufweisend mindestens einen elektrischen Schwingkreis (2) mit mindestens einem piezoakustischen Resonator (10) mit einer ersten Elektrodenschicht (11), mindestens einer weiteren Elektrodenschicht (12) und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht (13) mit piezoelektrischem Material, wobei eine Schwingkreis-Resonanzfrequenz des Schwingkreises von einer Resonator-Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonators abhängig ist und das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht des piezoakustischen Resonators ein Langasit aufweist. Ebenso betrifft die Erfindung eine Anordnung eines Erzeugnisses (20) und mindestens eines Temperatursensors (1) zur Bestimmung einer Temperatur des Erzeugnisses. Schließlich wird auch ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Aussenden eines elektromagnetischen Abfragespektrums, b) Herausfiltern der Stromkreis-Resonanzfrequenz aus dem Abfragespektrum, c) Empfangen des gefilterten Abfragespektrums, d) Bestimmen der Schwingkreis-Resonanzfrequenz und e) Bestimmen der Temperatur aus der Schwingkreis-Resonanzfrequenz. Mit Hilfe der Erfindung kann die Temperatur eines Erzeugnisses, insbesondere eines schwer zugänglichen Erzeugnisses, berührungslos abgefragt werden. Das Erzeugnis ist beispielsweise eine Brennkammer einer Gasturbine oder ein Motor eines Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor.
Die Temperatur eines Erzeugnisses bzw. eines Gegenstands wird beispielsweise mit Hilfe eines Thermoelements erfasst. Das Thermoelement ist ein Bauteil, das aus zwei verschiedenen Metallen besteht. An einer Grenzfläche zwischen den Metallen entsteht eine temperaturabhängige, so genannte thermoelektrische Spannung. Diese thermoelektrische Spannung wird über eine elektrische Leitung erfasst. Aus der erfassten thermoelektrischen Spannung wird mit Hilfe einer Auswerteeinheit die Temperatur des Thermoelements ermittelt. Stehen das Erzeugnis und das Thermoelement in direkten thermischen Kontakt miteinander, entspricht die Temperatur des Thermoelements der Temperatur des Erzeugnisses. Somit kann die Temperatur des Erzeugnisses bestimmt werden.
Zum Erfassen der thermoelektrischen Spannung sind elektrische Leitungen notwendig. Die Leitungen sind in der Regel mit Hilfe von Kunststoff elektrisch isoliert. Wegen der geringen Stabilität des Kunststoffs ist diese Art der Temperaturerfassung in einer aggressiven Umgebung ungeeignet. Die aggressive Umgebung zeichnet sich beispielsweise durch eine hohe Temperatur von über 500°C und durch eine Gegenwart von reaktiven Gasen aus, beispielsweise Sauerstoff.
Denkbar ist auch, dass das Erzeugnis und das Thermoelement nicht in direktem, also in indirektem thermischen Kontakt stehen. Das Erzeugnis sendet beispielsweise Infrarotstrahlung aus, die vom Thermoelement absorbiert wird. Die absorbierte Infrarotstrahlung führt zur Erwärmung des Thermoelements. Eine Höhe der Erwärmung des Thermoelements hängt von einer Intensität der vom Erzeugnis abgestrahlten und vom Thermoelement absorbierten Infrarotstrahlung ab. Die Intensität der vom Erzeugnis abgestrahlten Infrarotstrahlung hängt von der Temperatur des Erzeugnisses ab. Somit hängt auch die Erwärmung des Thermoelements von der Temperatur des Erzeugnisses ab. Es kann ein direkter Zusammenhang zwischen der erfassbaren thermoelektrischen Spannung des Thermoelements und der Temperatur des Erzeugnisses hergestellt werden.
Diese Art der Temperaturbestimmung ist für den Fall geeignet, dass das Erzeugnis und das Thermoelement in optischem Kontakt miteinander stehen. Dies bedeutet, dass die vom Erzeugnis abgestrahlte Infrarotstrahlung vom Thermoelement absorbiert werden kann. Diese Art der Temperaturermittlung ist für solche Erzeugnisse ungeeignet, die optisch nicht oder nur schwer zugänglich sind.

Aus R.C. Smythe et. al., „Langasite, Langanite and Langagate Bulk-Wave Y-Cut Resonators", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 47, Iss. 2 (2000), Seiten 355 – 360 ist ein piezoakustischer Resonator in Form eines so genannter Bulk Acoustic Wave (BAW) Resonators bekannt. Ein BAW-Resonator verfügt über eine Kondensatorstruktur mit einer ersten Elektrodenschicht, einer weiteren Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht mit piezoelektrischem Material. Das piezoelektrische Material des bekannten BAW-Resonators ist ein Langasit. Eine Resonator-Resonanzfrequenz des Resonators hängt von der Temperatur des Resonators ab. Eine Temperaturabhängigkeit der Resonator-Frequenz wurde im Bereich von + 5°C bis + 125°C nachgewiesen.

Die DD 293 890 A5 beschäftigt sich mit einem Strahlungssensor, der einen BAW-Resonator als oben beschriebenes Thermoelement aufweist.

Aus DE-OS 2 361 131 ist ein BAW-Resonator gekannt, der ein piezoelektrisches Material mit Lithium aufweist, beispielsweise Lithiumniobat oder Lithiumtantalat.

Temperatursensoren mit piezoakustischen Resonatoren in Form von Surface Acoustic Wafe (SAW) Resonatoren sind beispielsweise aus DE 29 16 078 C2 , DE 197 34 706 A1 und DE-OS 27 54 669 bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, wie die Temperatur in einer aggressiven Umgebung bestimmt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Temperatursensor abgegeben, aufweisend mindestens einen elektrischen Schwingkreis mit mindestens einem piezoakustischen Resonator mit einer ersten Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren Elektrodenschicht und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht mit piezoelektrischem Material, wobei eine (elektromagnetische) Schwingkreis-Resonanzfrequenz des Schwingkreises von einer (akustischen) Resonator-Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonators abhängig ist und das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht des piezoakustischen Resonators ein Langasit aufweist.

Es ist eine Anordnung eines Erzeugnisses und mindestens eines derartigen Temperatursensors zur Bestimmung einer Temperatur des Erzeugnisses zugänglich. Unter Verwendung eines derartigen Temperatursensors werden zur Bestimmung der Temperatur folgende Verfahrensschritten durchgeführt: a) Aussenden eines elektromagnetischen Abfragespektrums, b) Herausfiltern der Stromkreis-Resonanzfrequenz aus dem Abfragspektrum, c) Empfangen des gefilterten Abfragespektrums d) Bestimmen der Schwingkreis-Resonanzfrequenz und e) Bestimmen der Temperatur aus der Schwingkreisresonanzfrequenz.

Die Grundlage der Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass piezoakustische Resonatoren mit Langansiten eine temperaturabhängige Resonator-Resonanzfrequenz aufweisen. Die Temperaturabhängigkeit beschränkt sich nicht auf niedrige Temperaturen (bis 125°C). Die Temperaturabhängigkeit der Resonator-Resonanzfrequenz wird auch bei hohen Temperaturen, also bei Temperaturen von 500°C bis über 1000°C und mehr beobachtet. Langasit ist bei den Temperaturen chemisch stabil. Dies bedeutet, dass es bei diesen Temperaturen zu keiner Phasenumwandlung kommt. Darüber hinaus ist Langasit auch bei diesen Temperaturen gegenüber einer Vielzahl von Chemikalien reaktionsträge. Beispielsweise findet keine Reaktion mit Sauerstoff statt. Somit eignet sich der Resonator zum Einsatz in einer aggressiven Umgebung, insbesondere in einer Umgebung mit sehr hohen Temperaturen. Dadurch, dass der Resonator Bestandteil des Schwingkreises des Temperatursensors ist und die Schwingkreis-Resonanzfrequenz des Schwingkreises von der Resonator-Resonanzfrequenz des Resonators abhängt, kann durch die Bestimmung der Schwingkreis-Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf die Temperatur geschlossen werden.

Mit Hilfe des Temperatursensors kann die Temperatur einer Umgebung des Temperatursensors abgefragt werden. Die Umgebung ist beispielsweise ein Gas oder Gasgemisch, das am Resonator des Schwingkreises des Temperatursensors vorbeigeleitet wird. Eine Wärmeübertragung vom Gas oder Gasgemisch auf den Resonator erfolgt durch Konvektion. Denkbar ist auch, dass der Resonator von Infrarotstrahlung bestrahlt wird, die von einem Erzeugnis ausgesandt wird. Die Wärmeübertragung auf den Resonator erfolgt durch Wärmestrahlung. Insbesondere erfolgt die Wärmeübertragung vom Erzeugnis auf den Resonator durch Wärmeleitung. In einer besonderen Ausgestaltung stehen daher der Temperatursensor und das Erzeugnis in einem direkten thermischen Kontakt miteinander bzw. werden der Temperatursensor und das Erzeugnis in einen direkten thermischen Kontakt miteinander gebracht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest der piezoakustische Resonator des Temperatursensors eingekappselt. Der piezoakustische Resonator ist in einer (Einkappselung) Umhüllung angeordnet. Die Umhüllung fungiert als Barriere für das Gas oder Gasgemisch. Dies bedeutet, dass das Gas oder Gasgemisch nicht direkt mit dem Resonator in Kontakt gebracht wird. Es findet kein Stoffaustausch mit dem Resonator und damit keine (chemische) Reaktion zwischen einem Material des Resonators und dem Gas- oder Gasgemisch statt. Somit kann mit Hilfe des Resonators die Temperatur nicht nur bei hohem Temperaturen, sondern auch in Gegenwart von reaktiven Gasen ermittelt werden. Darüber hinaus ist mit der Einkappselung dafür gesorgt, dass das Gas oder Gasgemisch nicht am Resonator adsorbiert werden kann. Eine Adsorption würde zu einer Änderung einer Masse des Resonators und damit zu einer Änderung der Resonator-Resonanzfrequenz führen. Das Herstellen eines eindeutigen Zusammenhangs zwischen der Resonator-Resonanzfrequenz und der Temperatur wäre erschwert. Die Einkappselung in derart ausgestaltet, dass eine Wärmeübertragung möglich ist. Dies bedeutet, dass die Umhüllung Wärme leitend mit der Umgebung und dem Resonator verbunden ist. Die Wärme wird mittelbar über die Einkapplselung von der Umgebung auf den Resonator übertragen. Für die Wärmeübertragung mittels Infrarotstrahlung ist die Umhüllung für die Infrarotstrahlung transparent, also zumindest teilweise durchlässig.

Die Schwingkreis-Resonanzfrequenz des Schwingkreises kann prinzipiell durch direkten elektrischen Kontakt einer Auswerteeinrichtung mit dem Schwingkreis bestimmt werden. Die Bestimmung der Schwingkreis-Resonanzfrequenz erfolgt Kabel gebunden. Vorzugsweise erfolgt aber die Bestimmung der Schwingkreis-Resonanzfrequenz kabellos (wireless). Die Auswerteeinrichtung und der Schwingkreis stehen nicht in direktem, sondern in indirektem elektrischen Kontakt miteinander. Elektromagnetische Strahlung mit der Schwingkreis-Resonanzfrequenz wird vom Schwingkreis absorbiert bzw. abgestrahlt. Durch Bestimmung der abgestrahlten bzw. absorbierten elektromagnetischen Strahlung wird auf die Schwingkreis-Resonanzfrequenz und damit auf die Temperatur geschlossen. Vorzugsweise wird eine Filterfunktion des Schwingkreises bzw. des piezoakustischen Resonators ausgenutzt. Es wird die Schwingkreis-Resonanzfrequenz aus einem gegebenen elektromagnetischen Spektrum herausgefiltert. Daher weist in einer besonderen Ausgestaltung der Temperatursensor mindestens eine Sendevorrichtung zum Aussenden eines elektromagnetischen Abfragespektrums und mindestens eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen des Abfragespektrums auf, wobei der elektrische Schwingkreis als elektromagnetischer Filter für die Schwingkreis-Resonanzfrequenz fungiert und die Sendevorrichtung, der Schwingkreis und die Empfangsvorrichtung derart aneinander angeordnet sind, dass mit Hilfe des Schwingkreises die Stromkreis-Resonanzfrequenz zumindest teilweise aus dem Abfragespektrum herausgefiltert wird und die Empfangsvorrichtung das gefilterte Abfragespektrum empfängt.

Für die Temperaturbestimmung mit Hilfe des Temperatursensors ist es vorteilhaft, wenn der Resonator zu nahezu ungedämpften Resonanzschwingungen angeregt werden kann. Dies bedeutet insbesondere, dass der Resonator und der Trägerkörper bezüglich der Schwingung des Resonators mechanisch voneinander entkoppelt sind. Der Resonator und der Trägerkörper sind akustische voneinander entkoppelt. Dies gelingt beispielsweise mit Hilfe einer Kavität, die in einer Oberfläche des Trägerkörpers eingearbeitet ist und über der der Resonator angeordnet ist. Denkbar ist auch eine Federverbindung zwischen dem Resonator und dem Substrat, wie sie beispielsweise als HU-49-Anorndung im Zusammenhang mit Quarz-Resonatoren bekannt ist.

Als Trägerkörper kommt jedes beliebige Substrat in Frage. Vorzugsweise ist der Trägerkörper ein keramisches Substrat. Ein keramischer Werkstoff des keramischen Substrats ist beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN). Diese Werkstoffe zeichnen sich durch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Wenn der Resonator und das Erzeugnis mittelbar über den Trägerkörper mit den relativ gut Wärme leitenden keramischen Werkstoffen verbunden sind, erfolgt eine rasche Wärmeleitung. Der Resonator und das Erzeugnis weisen zu jeder Zeit die gleiche Temperatur auf.

Somit kann zu jeder Zeit die Temperatur des Erzeugnisses sehr genau erfasst werden. Darüber hinaus zeigen die angegebenen keramischen Werkstoffe eine ähnlich gute Stabilität gegenüber einer aggressiven Umgebung wie Langasit. Somit eignet sich der gesamte Aufbau aus Resonator und keramischem Trägerkörper zur Anwendung in einer aggressiven Umgebung.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mit Hilfe des Substrats auch noch passive elektrische Bauteile (Komponenten) des Schwingkreises realisiert werden. Derartige Komponenten sind elektrische Leitungen, Kapazitäten oder Spulen. Daher ist der Trägerkörper gemäß einer besonderen Ausgestaltung ein keramisches Mehrschichtsubstrat, in dessen Volumen zumindest eine Komponente des Schwingkreises integriert ist.

In einer besonderen Ausgestaltung ist der Trägerkörper aus der Gruppe HTCC (High Temperature Cofired Ceramics)- und LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)-Substrat ausgewählt. Bei LTCC-Substraten ist die Sintertemperatur so niedrig, dass Komponenten aus Silber im Mehrschichtkörper integriert werden können. Silber eignet sich aufgrund der niedrigen Verluste besonders für Hochfrequenzanwendungen.

Das Langasit der piezoelektrischen Schicht kann polykristallin sein. Beispielsweise ist der Resonator als Dünnfilmresonator ausgestaltet. Einzelnen Schichten werden als dünne Filme (Filmdicke von wenigen μm) aus der Dampfphase abgeschieden. Dazu werden beispielsweise chemisches (Chemical Vapour Deposition, CVD)) oder physikalisches (Physical Vapour Depostion, PVD) Dampfabscheiden durchgeführt. Das physikalische Dampfabscheiden ist beispielsweise Sputtern. Die Langasit-Einkristalle werden dabei orientiert, also mit einer Vorzugsrichtung abgeschieden.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das Langasit einkristallin. Zum Herstellen des Resonators wird beispielsweise aus einem größeren Einkristall aus Langasit eine Platte geschnitten. Die einkristalline Platte weist einen Plattendicke von 50 μm bis 200 μm auf. Größere oder kleiner Plattendicken sind auch denkbar. Eine laterale (flächige) Ausdehnung der einkristallinen Platte beträgt 5,0 mm bis 15,0 mm. Die laterale Ausdehnung beträgt beispielsweise 10,0 mm. Größere oder kleiner laterale Ausdehnungen sind auch denkbar.

Die einkristalline Platte wird beidseitig mit Elektrodenmaterial versehen. Beispielsweise wird das Elektrodenmaterial aufgedampft. Das aufgedampft Elektrodenmaterial bildet die Elektrodenschichten des piezoakustischen Resonators. Die Schichtdicken getragen wenige nm. Eine einkristalline Platte aus Langasit mit einer Schichtdicke von 70 μm und beidseitig aufgedampften, wenige nm dicken Elektrodenschichten ist zu akustischen Schwingungen mit einer Resonator-Resonanzfrequenz von etwa 20 MHz anregbar.

Das Elektrodenmaterial ist beispielsweise Platin. Aufgrund seiner Reaktionsträgheit ist Platin hervorragend für Hochtemperaturanwendungen in aggressiver Umgebung geeignet. Andere Elektrodenmaterialien sind ebenfalls denkbar, beispielsweise Legierungen verschiedener Metalle.

Das piezoelektrische Material ist ein Langasit. Das Langasit ist insbesondere aus der Gruppe Langasit, Langanat und/oder Langatat ausgewählt. Das Langasit kann ein Seltenerd-Galliumsilikat (Langasit), ein Seltenerd-Galliumniobat (Langanat) und Seltenerd-Galliumtantalat (Langatat) sein. So gehören zur Langasit-Gruppe beispielsweise neben Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄), Neodym-Langasit (Nd₃Ga₅SiO₁₄) oder Praseodym-Langasit (Pr₃Ga₅SiO₁₄) die Langanat-Gruppe (z.B. La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄) und die Langatat-Gruppe (z.B. La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄) Mit diesen Materialien eignet sich der Temperatursensor für Anwendungen in einem weiten Temperaturbereich, insbesondere aber für Anwendungen bei Temperaturen von über 600°C.

In Abhängigkeit von der Anwendung kann ein einziger Temperatursensor genügen, um die Temperatur des Erzeugnisses zu erfassen. Denkbar ist aber insbesondere auch, dass mehrere Temperatursensoren eingesetzt werden, um die Temperatur des Erzeugnisses zu erfassen. In einer besonderen Ausgestaltung der Anordnung ist daher eine Mehrzahl von Temperatursensoren vorhanden. Mit Hilfe der Mehrzahl der Temperatursensoren kann eine gemittelte Temperatur des Erzeugnisses bestimmt werden. Mit Hilfe der Mehrzahl der Temperatursensoren kann auch ein Temperaturprofil des Erzeugnisses erfasst werden. Beispielsweise sind mehrere Temperatursensoren am Erzeugnis angebracht. Jeder der Temperatursensoren liefert eine Aussage über die Temperatur des Erzeugnisses an der entsprechenden Stelle.

Zum kabellosen Bestimmen der Temperatur können die Temperatursensoren jeweils über eine eigene Sendevorrichtung und/oder jeweils über eine eigene Empfangsvorrichtung verfügen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Anordnung weisen die Temperatursensoren eine gemeinsame Sendevorrichtung und/oder eine gemeinsame Empfangsvorrichtung auf. Jede Sendevorrichtung und jede Empfangsvorrichtung weist eine Antenne auf. Die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung können verschiedene Antenne aufweisen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weisen die Sende- und Empfangsvorrichtungen aber zumindest eine gemeinsame Antenne auf. Dadurch ist ein besonders einfacher und kompakter Aufbau der Anordnung realisiert.

Wie bereits erwähnt, ist der Temperatursensor für Anwendungen bei von über 600°C geeignet. Somit eignet sich der Temperatursensor zur Temperaturkontrolle eines Abgases eines Verbrennungsvorgangs. Beispielsweise kann mit Hilfe des Temperatursensors die Abgastemperatur einer Verbrennungsanlage für einen beliebigen Brennstoff kontrolliert werden. Die Verbrennungsanlage ist beispielsweise ein Kohlekraftwerk. Denkbar ist auch eine Müllverbrennungsanlage.

Mit dem Temperatursensor kann nicht nur die Temperatur des Abgases eines Verbrennungsvorgangs ermittelt werden. Denkbar ist insbesondere auch eine Kontrolle der Temperatur eines Verbrennungsvorgangs selbst bzw. die Temperatur eines Erzeugnisses, in dem der Verbrennungsvorgang stattfindet. In einer besonderen Ausgestaltung der Anordnung ist daher das Erzeugnis eine Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffs. Insbesondere wird als Erzeugnis eine Brennkammer einer Gasturbine verwendet. Ebenso kann die Brennkammer eine Brennkammer einer Müllverbrennungsanlage sein. Allgemein kann das Erzeugnis ein beliebiges Reaktionsgefäß sein. In dem Reaktionsgefäß finden eine oder mehrere chemische Reaktionen statt. Die chemischen Reaktionen zeichnen sich durch eine bestimmte Energiebilanz aus (endotherme und exotherme Reaktionen). Der Temperatursensor wird zur Temperaturkontrolle derartiger Reaktionen eingesetzt. Neben der Anwendung bei den beschriebenen stationären Erzeugnissen kann der Temperatursensor auch in einem mobilen Erzeugnis zum Einsatz kommen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Mit Hilfe des Temperatursensors kann beispielsweise die Temperatur eines Motors eines Kraftfahrzeugs erfasst werden.

Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:

– Es wird ein Temperatursensor angegeben, der in aggressiver Umgebung und insbesondere im Hochtemperatur-Bereich eingesetzt werden kann.
– Der Temperatursensor ist in einem weiten Temperaturbereich und insbesondere im Temperaturbereich von über 600°C einsetzbar.
– Die Temperatur kann berührungslos erfasst werden.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.

Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt einen piezoakustischen Resonator des Temperatursensors.
2A und 2B zeigen jeweils einen piezoakustischen Resonator auf einem Trägerkörper.
3A und 3B zeigen jeweils einen Schwingkreis des Temperatursensors mit piezoakustischem Resonator.
4 zeigt eine Anordnung eines Erzeugnisses, aufweisend einen Temperatursensor mit Sendevorrichtung und Empfangsvorrichtung.
Der Temperatursensor 1 weist einen elektrischen Schwingkreis 2 mit einem piezoakustischen Resonator 10 mit einer Elektrodenschicht 11, einer weiteren Elektrodenschicht 12 und einer zwischen den Elektrodenschichten 11 und 12 angeordnete piezoelektrische Schicht 13 auf (1). Die piezoelektrische Schicht 13 ist eine einkristalline Keramikplatte aus Langasit. Die Platte weist eine Plattendicke 14 von etwa 70 μm auf. Eine laterale Abmessung 15 der Platte beträgt etwa 1,0 mm. Die Elektrodenschichten 11 und 12 sind aus Platin weisen Schichtdicken von etwa 5 nm auf.
Zum Herstellen des Resonators 10 wird eine Keramikplatte aus einem Langasit-Einkristall geschnitten. Diese Keramikplatte bildet die piezoelektrische Schicht 13. An den Hauptflächen der Keramikplatte wird Platin zur Bildung der Elektrodenschichten 11 und 12 des Resonators 10 aufgedampft. Mit den angegebenen Abmessungen ist der Resonator 10 zu akustischen Schwingungen mit einer Resonator-Resonanzfrequenz von etwa 20 MHz anregbar.
Der Resonator 10 wird derart auf einem Trägerkörper 16 angeordnet, dass der Resonator 10 zu nahezu ungedämpften, akustischen Schwingungen mit der Resonator-Resonanzfrequenz angeregt werden kann. Der Resonator 10 und der Trägerkörper 16 sind akustisch voneinander entkoppelt. Dazu ist der Resonator 10 über einer Kavität 161 des Trägerkörpers 16 angeordnet (2A). Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Resonator 10 in der Kavität 161 des Trägerkörpers 16 angeordnet (2B). Wie in 3A angedeutet, ist der Resonator 10 in einer Umhüllung (Einkappselung) 19 angeordnet. Die Umhüllung 19 sorgt dafür, dass es zu keinem Stoffaustausch mit der Umgebung 30 des Resonators 10 kommt. Die Umhüllung 19 und das Substrat 16 bilden ein so genanntes geschlossenes System. Das geschlossene System lässt lediglich einen Energieaustausch mit der Umgebung 30 zu. Ein Stoffaustausch ist nicht möglich. Der Energieaustausch ist über das Substrat 16 möglich. In einer alternativen Ausgestaltung ist in der Umhüllung 19 ein Gas zur Übertragung der Energie angeordnet. Der Energieaustausch findet über das Gas in der Umhüllung und über das Substrat statt.
In einer ersten Ausführungsform ist der Trägerkörper 16 einschichtig. Der Trägerkörper weist einen keramischen Werkstoff auf. Der keramische Werkstoff ist Aluminiumoxid. In einer weiteren Ausführungsform ist der Trägerkörper mehrschichtig. Der Trägerkörper 16 ist ein LTCC-Substrat, in dessen Volumen Komponenten des Schwingkreises 2 integriert sind.
Die Resonator-Resonanzfrequenz des Resonators 10 ist temperaturabhängig. Mit Hilfe des Resonators 10 wird ein elektrischer Schwingkreis 2 realisiert. 3A und 3B zeigen Ersatzschaltbilder zweier möglicher Schwingkreise 2. Der Schwingkreis 2 zeigt jeweils eine bestimmte Schwingkreis-Resonanzfrequenz. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Resonator-Resonanzfrequenz ist die Schwingkreis-Resonanzfrequenz ebenfalls temperaturabhängig.
Die Schwingkreis-Resonanzfrequenz des jeweiligen Schwingkreises 2 wird berührungslos abgefragt. Der Schwingkreis 2 fungiert dazu als elektromagnetischer Filter (4). Der Schwingkreis 2 wird mit elektromagnetischer Strahlung eines Abfragespektrums bestrahlt. Das Abfragespektrum wird mit Hilfe einer Sendevorrichtung 17 erzeugt. Die Schwingkreis-Resonanzfrequenz wird vom Schwingkreis 2 zumindest teilweise absorbiert. Es resultiert ein gefiltertes Abfragespektrum, das von einer Empfangsvorrichtung 18 empfangen wird. Die Sendevorrichtung 17 und die Abfragevorrichtung 18 weisen jeweils eine Antenne zum Senden bzw. Empfangen des Abfragespektrums auf. Aufgrund der herausgefilterten Schwingkreis-Resonanzfrequenz wird auf die Temperatur des Resonators 10 geschlossen.
Mit Hilfe des Temperatursensors 1 wird die Temperatur eines Erzeugnisses 20 ermittelt. Das Erzeugnis 20 steht mit dem Resonator 10 des Schwingkreises 2 des Temperatursensors 1 derart im thermischen Kontakt, dass eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung erfolgt. Das Erzeugnis 20 und der Resonator weisen zu jeder Zeit die gleich Temperatur auf.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Erzeugnis eine Brennkammer 21 einer Gasturbine. in 4 ist die Brennkammer 21 lediglich angedeutet. Der Temperatursensor 1 bzw. der elektrische Schwingkreis 2 mit dem piezoakustischen Resonator 10 wird in der Brennkammer 21 der Gasturbine angeordnet. Die Temperatur im Inneren der Brennkammer 21 wird berührungslos abgefragt.
Gemäß einer weiteren Aufführungsform ist das Erzeugnis der Motor eines Kraftfahrzeugs. Mit Hilfe des Temperatursensors wird die Temperatur des Motors erfasst.

Claims

Temperatursensor (1), aufweisend – mindestens einen elektrischen Schwingkreis (2) mit mindestens einem piezoakustischen Resonator (10) mit einer ersten Elektrodenschicht (11), mindestens einer weiteren Elektrodenschicht (12) und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten (11, 12) angeordneten piezoelektrischen Schicht (13) mit piezoelektrischem Material, wobei – eine Schwingkreis-Resonanzfrequenz des Schwingkreises (2) von einer Resonator-Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonators (10) abhängig ist und – das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht (13) des piezoakustischen Resonators (10) ein Langasit aufweist.
Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei zumindest der piezoakustische Resonator (10) in einer Umhüllung (19) angeordnet ist.
Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens einer Sendevorrichtung (17) zum Aussenden eines elektromagnetischen Abfragespektrums und mindestens einer Empfangsvorrichtung (18) zum Empfangen des Abfragespektrums, wobei der elektrische Schwingkreis (2) als elektromagnetischer Filter für die Schwingkreis-Resonanzfrequenz fungiert und die Sendevorrichtung (17), der Schwingkreis (2) und die Empfangsvorrichtung (18) derart aneinander angeordnet sind, dass mit Hilfe des Schwingkreises (2) die Stromkreis-Resonanzfrequenz zumindest teilweise aus dem Abfragespektrum herausgefiltert wird und die Empfangsvorrichtung (18) das gefilterte Abfragespektrum empfängt.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Resonator (10) derart auf einem Trägerkörper (16) angeordnet ist, dass der Resonator (10) zu Schwingungen mit der Resonator-Resonanzfrequenz anregbar ist.
Temperatursensor nach Anspruch 4, wobei der Trägerkörper (16) ein keramisches Mehrschichtsubstrat ist, in dessen Volumen zumindest eine Komponente des Schwingkreises (2) integriert ist.
Temperatursensor nach Anspruch 5, wobei der Trägerkörper (16) aus der Gruppe HTCC- und LTCC-Substrat ausgewählt ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Langasit einkristallin ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Langasit aus der Gruppe Langasit, Langanat und/oder Langatat ausgewählt ist.