DE102007018007A1 - Piezoelectric pressure sensor for use in drive unit of vehicle, has boundary surface formed between transducer element and electrodes so that transmission of transverse forces between element and electrodes is minimized in space direction - Google Patents

Piezoelectric pressure sensor for use in drive unit of vehicle, has boundary surface formed between transducer element and electrodes so that transmission of transverse forces between element and electrodes is minimized in space direction Download PDF

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Abstract

The sensor has electrodes (3, 4) arranged in a piezoelectric transducer element (2) i.e. quartz. A boundary surface (5) is formed between the element and the electrodes so that a transmission of transverse forces between the element and the electrodes is minimized in a space direction. The electrodes and the element are arranged in a manner, so that a piezoelectric longitudinal effect is utilizable for pressure measurement. An electrode surface (31) and/or a transducer element surface (21) include a coating (32) for reduction of a friction coefficient in an area of the boundary surface.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem piezoelektrischen Drucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Neuartige Motormanagementkonzepte im Automobilbau sehen vor, die Steuerung des Verbrennungsprozesses durch den Einsatz einer geregelten Kraftstoffeinspritzung zu optimieren. Insbesondere bei Dieselmotoren bringt eine solche Einspritzung Vorteile, wie unter anderem die Reduzierung von Rohemissionen, verringerter Kraftstoffverbrauch und ein niedrigerer Geräuschpegel. Ein mögliches Konzept beruht auf einer brennraumdruckbasierten Motorregelung. Die Anforderungen an Brennraumdrucksensoren sind in Bezug auf die Temperaturbeständigkeit, bedingt durch die Nähe zur Brennkammer, und in Bezug auf ihre Langzeitstabilität, sehr hoch. Aus dem deutschen Patent DE 103 12 491 B3 ist beispielsweise ein Drucksensor mit Membran und vorgeschaltetem Hitzeschild bekannt. Piezoelektrische Einkristalle sind langzeitstabil, haben aber den Nachteil, dass sie auf Grund einer ferrobielastischen Zwillingsbildung bei Temperaturen im Bereich von 200°C nur bedingt nutzbar sind.The invention is based on a piezoelectric pressure sensor according to the preamble of the main claim. Novel engine management concepts in the automotive industry envisage optimizing the control of the combustion process through the use of regulated fuel injection. In diesel engines in particular, such injection offers advantages such as, among others, the reduction of raw emissions, reduced fuel consumption and a lower noise level. One possible concept is based on a combustion chamber pressure-based engine control. The requirements for combustion chamber pressure sensors are very high in terms of temperature resistance, due to the proximity to the combustion chamber, and in terms of their long-term stability. From the German patent DE 103 12 491 B3 For example, a pressure sensor with membrane and upstream heat shield is known. Piezoelectric single crystals are long-term stable, but have the disadvantage that they are only partially usable due to a ferrobiastic twin formation at temperatures in the range of 200 ° C.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Piezoelektrische Drucksensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass der nutzbare Temperaturbereich von piezoelektrischen Wandlerelementen deutlich erweitert wird. Die ferrobielastische Zwillingsbildung oder Verzwillingung, ein Kristallstrukturphänomen, welches zu einem signifikanten Verlust der piezoelektrischen Empfindlichkeit des Wandlerelements führt, wird durch die erfindungsgemäße Minimierung der Übertragung von Querkräften zwischen dem Wandlerelement und den Elektroden in vorteilhafter Weise vermieden oder zumindest unterdrückt. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Drucksensor ist so für eine zuverlässige Brennraumdruckmessung in Antriebsaggregaten, insbesondere von Fahrzeugen geeignet. Eine Querkraft im Sinne der Erfindung ist jede Kraft bzw. Kraftkomponente in einer Ebene, welche durch die Grenzflächen definiert wird. Die Grenzflächen selbst umfassen zumindest insbesondere die jeweils einander zugewandten Elektrodenoberflächen und Wandlerelementoberflächen, sowie gegebenenfalls deren Zwischenraum.Of the Piezoelectric pressure sensor according to the invention with the features of the main claim has the opposite the advantage that the usable temperature range of piezoelectric transducer elements is significantly expanded. The ferrobiastic twin formation or twinning, a crystal structure phenomenon which to a significant loss of piezoelectric sensitivity of the Transducer element leads is, by the invention Minimizing the transmission of shear forces between the transducer element and the electrodes avoided in an advantageous manner or at least suppressed. The piezoelectric invention Pressure sensor is so for a reliable combustion chamber pressure measurement in drive units, especially suitable for vehicles. A Transverse force in the sense of the invention is any force or force component in a plane defined by the interfaces becomes. The interfaces themselves comprise at least in particular the respective mutually facing electrode surfaces and transducer element surfaces, and optionally their Gap.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drucksensors möglich.By the measures listed in the dependent claims are advantageous developments and improvements of the main claim specified pressure sensor possible.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors ist vorgesehen, dass das Wandlerelement ein Kristall ist, insbesondere ein Quarz. Quarz hat den Vorteil, dass es in Massenproduktion herstellbar ist. Im Folgenden wird in der Regel von einem Quarzkristall als Wandlerelement ausgegangen. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Kristallstrukturen als Wandlerelemente denkbar. Die Elektroden und das Wandlerelement sind vorzugsweise so angeordnet, dass ein piezoelektrischer Längseffekt zur Druckmessung nutzbar ist. Bei dem piezoelektrischen Längseffekt ist eine Richtung der Krafteinleitung und eine Richtung der Trennung der Ladungsschwerpunkte (Richtung des elektrischen Felds) parallel. Auf Grund der Symmetrieklasse ist dies bei Quarz nur in der Richtung seiner kristallographischen X-Achse möglich. Diese ferrobielastische Zwillingsbildung, bei Quarz auch als Bildung von Dauphinéer Zwillingen bezeichnet, wird durch hohe Temperaturen einerseits und Komponenten mechanischer Spannung in der kristallographischen YZ-Ebene ausgelöst, also senkrecht zur Krafteinleitung. Innerhalb der Ebene besteht insbesondere eine sogenannte Zwillingsvorzugsrichtung, wobei Kraftkomponenten in Richtung der Zwillingsvorzugsrichtung die Verzwillingung fördern. Die Minimierung von Querkräften an den in YZ-Ebenen angeordneten Grenzflächen, zumindest in einer Raumrichtung, also insbesondere in der Zwillingsvorzugsrichtung, verringert somit vorteilhaft die Bildung von Dauphinéer Zwillingen. Eine Minimierung der Querkräfte erfolgt bevorzugt durch Beeinflussung der Reibung zwischen den Elektroden und dem Wandlerelement. Es kann ausreichend sein, die Querkräfte nur bei einer Grenzfläche zu minimieren. Generell beziehen sich die Ausführungen sowohl auf nur eine Grenzfläche, als auch auf beide Grenzflächen.According to one preferred embodiment of the invention Pressure sensor is provided that the transducer element is a crystal is, in particular a quartz. Quartz has the advantage of being in mass production can be produced. The following is usually a quartz crystal assumed as a transducer element. Basically, however Other crystal structures conceivable as transducer elements. The Electrodes and the transducer element are preferably arranged that a piezoelectric longitudinal effect for pressure measurement is usable. In the piezoelectric longitudinal effect is a direction of force introduction and a direction of separation of the Charge centers (direction of the electric field) parallel. Due to the symmetry class, this is only in the direction of quartz its crystallographic X-axis possible. This ferrobiastic Gemini formation, in quartz also as formation of Dauphinéer Gemini is characterized by high temperatures on the one hand and Components of mechanical stress in the crystallographic YZ plane triggered, ie perpendicular to the introduction of force. Within the level consists in particular of a so-called twin preferred direction, wherein force components in the direction of the twin preferred direction promote the twinning. The minimization of shear forces at the interfaces arranged in YZ planes, at least in one spatial direction, ie in particular in the twin preferred direction, thus advantageously reduces the formation of Dauphiné twins. A minimization of the transverse forces is preferably carried out by Influencing the friction between the electrodes and the transducer element. It may be sufficient, the shear forces only at an interface to minimize. Generally, the statements relate on only one interface, as well as on both interfaces.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors ist vorgesehen, dass eine Elektrodenoberfläche und/oder eine Wandlerelementoberfläche im Bereich der Grenzflächen eine Beschichtung zur Verminderung eines Reibkoeffizienten aufweist. Querkraftspannungen werden durch eine Beschichtung mit geringerem Reibkoeffizienten in vorteilhafter Weise homogen verringert. Bevorzugt werden andere Eigenschaften der Elektrodenoberfläche und/oder der Wandlerelementoberfläche nicht negativ durch die Beschichtung beeinflusst, wie beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit oder die mechanische Dauerfestigkeit. Eine Absenkung des Reibkoeffizienten, vorzugsweise der Elektrodenoberflächen, wird beispielsweise durch eine Beschichtung mit Siliziumkarbid (SiC) oder einem diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC, diamond like carbon) erreicht. Beide weisen neben geringen Reibkoeffizienten vorteilhafterweise eine besonders hohe Verschleißarmut auf. Besonders bevorzugt ist ein elektrischer Widerstand der Beschichtung einstellbar, insbesondere durch Dotierung. Bei Siliziumkarbid kann dies beispielsweise durch Bor erreicht werden, während bei DLC ein höherer Graphitanteil eingestellt werden kann oder zusätzliche Metallatome eingebunden werden. Da auf Grund der geringen Kapazität von Quarzwandlerelementen und einer typischen oberen Grenzfrequenz von deutlich unter 100 Kilohertz Übergangswiderstände im Kiloohmbereich (kΩ) zulässig sind, werden die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung durch die vergleichsweise schwache Dotierung vorteilhafterweise nur unwesentlich verändert. Für eine mögliche Gefahr einer Veränderung der Reibbedingungen an den Grenzflächen, welche möglicherweise eine Signaldrift verursachen könnten, haben die verschleißarmen Schichten den Vorteil, diese sogenannten Langzeitdrifteffekte zu verringern.According to a further, preferred embodiment of the pressure sensor according to the invention, it is provided that an electrode surface and / or a transducer element surface has a coating in the region of the boundary surfaces for reducing a friction coefficient. Transverse force stresses are advantageously reduced homogeneously by a coating with a lower coefficient of friction. Preferably, other properties of the electrode surface and / or the transducer element surface are not adversely affected by the coating, such as the electrical conductivity or the mechanical fatigue strength. A reduction of the coefficient of friction, preferably of the electrode surfaces, is achieved, for example, by a coating with silicon carbide (SiC) or a diamond-like carbon (DLC, diamond like carbon). Both have, in addition to low coefficients of friction, advantageously a particularly high level of low wear. Particularly preferably, an electrical resistance of the coating is adjustable, in particular by doping. For silicon carbide, this can be achieved for example by boron, while in DLC a hö Herer graphite part can be adjusted or additional metal atoms are involved. Since contact resistances in the kilo-ohm range (kΩ) are permissible because of the low capacitance of quartz transducer elements and a typical upper cut-off frequency of well below 100 kilohertz, the mechanical properties of the coating are advantageously only insignificantly changed by the comparatively weak doping. For a possible danger of a change in the friction conditions at the interfaces, which could possibly cause a signal drift, the low-wear layers have the advantage of reducing these so-called long-term drift effects.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors ist vorgesehen, dass eine Elektrodenoberfläche und/oder eine Wandlerelementoberfläche im Bereich der Grenzflächen so strukturiert ist, dass sich in einer Zwillingsvorzugsrichtung ein geringerer Reibkoeffizient einstellt, als in einer zu der Zwillingsvorzugsrichtung orthogonalen Raumrichtung. Die Übertragung von Querkräften im Bereich der Grenzflächen ist so vorteilhaft in der Zwillingsvorzugsrichtung geringer als in der orthogonalen Richtung. Die durch die Strukturierung erhöhte Reibung erhöht vorzugsweise die Querkraftübertragung orthogonal zu der Zwillingsvorzugsrichtung, was eine vorteilhaft stabilisierende Wirkung hat. Vorzugsweise weist zumindest die Elektrodenoberfläche eine Rillenstruktur auf, wobei die Rillenstruktur besonders bevorzugt durch Schleifen hergestellt ist und wobei weiterhin bevorzugt die Rillenstruktur zu der Zwillingsvorzugsrichtung des Wandlerelements ausgerichtet ist. Die Rillen oder auch Riefen im Sinne der Ausführungsform sind im Wesentlichen geradlinig. In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist die Wandlerelementoberfläche nass- und/oder trockenchemisch strukturiert. Die Strukturierung verläuft wiederum im Wesentlichen in der Zwillingsvorzugsrichtung. Eine Ausrichtung der Elektroden entfällt daher vorteilhafterweise. Bei einem Quarzwandlerelement verläuft die Strukturierung vorzugsweise zu einer kristallographischen z-Achse des in einem Winkel zwischen 0° und 90°, besonders bevorzugt in einem Winkel zwischen 30° und 60°.According to one Another preferred embodiment of the invention Pressure sensor is provided that an electrode surface and / or a transducer element surface in the region of the interfaces is structured so that in a twin preferred direction sets a lower coefficient of friction than in the twin preferred direction orthogonal spatial direction. The transmission of shear forces in the area of the interfaces is so advantageous in the twin preferred direction less than in the orthogonal direction. The structuring increased friction preferably increases the lateral force transmission orthogonal to the twin preferred direction, which is advantageous has stabilizing effect. Preferably, at least the electrode surface a groove structure, wherein the groove structure is particularly preferred is made by grinding and wherein furthermore preferred Groove structure to the twin preferred direction of the transducer element is aligned. The grooves or grooves in the sense of the embodiment are essentially straightforward. In a further preferred embodiment the transducer element surface is wet and / or dry chemical structured. The structuring in turn essentially takes place in the twin preferred direction. An alignment of the electrodes therefore advantageously eliminated. In a quartz transducer element the structuring preferably proceeds to a crystallographic z-axis of at an angle between 0 ° and 90 °, especially preferably at an angle between 30 ° and 60 °.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors ist vorgesehen, dass die Elektrode zumindest in Richtung einer Zwillingsvorzugsrichtung ein solches Dehnungsverhalten aufweist, dass Relativbewegungen der Elektrode und des Wandlerelements im Bereich der Grenzfläche minimiert sind. Eine solche Anpassung der Querkontraktion führt dazu, dass sich das Wandlerelement und die Elektrode im Wesentlichen gleichermaßen ausdehnen, was die Querkraft in dem Grenzbereich verringert. Beispielsweise wird ein isotropes Material für die Elektroden verwendet, dessen Querdehnung der Querdehnung des in der Regel anisotropen Wandlerelements zumindest in der Zwillingsvorzugsrichtung entspricht. Bei Quarz entspricht dies etwa einer Richtung die sich unter einem Winkel von 60° zur kristallographischen Z-Achse erstreckt. Bevorzugt besteht die Elektrode aus dem gleichen Material, wie das Wandlerelement, vorzugsweise Quarz, wobei insbesondere die Elektrode kristallographisch so ausgerichtet ist, wie das Wandlerelement. Hierbei wird vorteilhaft die Anisotropie des Wandlerelements durch das gleichartige Material der Elektroden berücksichtigt. Besonders bevorzugt weist die Elektrode, zumindest im Bereich der Grenzfläche, eine Oberflächenmetallisierung auf.According to one Another preferred embodiment of the invention Pressure sensor is provided that the electrode at least in the direction a twin preferred direction has such a stretching behavior, that relative movements of the electrode and the transducer element in Area of the interface are minimized. Such an adaptation the transverse contraction causes the transducer element and extend the electrode substantially equally, which reduces the shear force in the boundary area. For example an isotropic material is used for the electrodes, the transverse strain of the transverse strain of the usually anisotropic Transducer element corresponds at least in the twin preferred direction. For quartz, this corresponds approximately to a direction under a Angle of 60 ° to the crystallographic Z-axis extends. Prefers If the electrode is made of the same material as the transducer element, preferably quartz, in particular the electrode crystallographic is aligned as the transducer element. This is advantageous the anisotropy of the transducer element by the similar material considered the electrodes. Particularly preferred the electrode, at least in the region of the interface, a Surface metallization on.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Drucksensors als Brennraumdrucksensor, insbesondere in einem Antriebsaggregat eines Fahrzeugs. Insbesondere besteht die Möglichkeit, dass der erfindungsgemäßen Drucksensor in einer Glühstiftkerze integriert ist.One Another object of the invention is a use of an inventive Pressure sensor as a combustion chamber pressure sensor, in particular in a drive unit of a vehicle. In particular, there is the possibility that the pressure sensor according to the invention in a Glow plug is integrated.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention are illustrated in the drawing and in the following description explained in more detail.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigenIt demonstrate

1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors in einer schematischen Seitenansicht, 1 A first embodiment of the pressure sensor according to the invention in a schematic side view,

2 eine graphische Darstellung einer Äquipotenziallinie in einer YZ-Ebene einer Kristallstruktur, 2 a graphical representation of an equipotential line in a YZ plane of a crystal structure,

3a und 3b eine schematische Draufsicht auf ein Wandlerelement und eine Elektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors und 3a and 3b a schematic plan view of a transducer element and an electrode according to a second embodiment of the pressure sensor according to the invention and

4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors in einer schematischen Seitenansicht. 4 a third embodiment of the pressure sensor according to the invention in a schematic side view.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

Der 1 ist das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen, piezoelektrischen Drucksensors zu entnehmen. Der Drucksensor weist ein Wandlerelement 2 und zwei Elektroden 3, 4 auf, wobei eine Krafteinleitungselektrode 3 eine Kraft bzw. einen Druck, welcher durch den Pfeil F dargestellt ist, aufnimmt. Die Widerlagerelektrode 4 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Wandlerelements 2 angeordnet. Kraft- bzw. Drucksensoren, welche einen piezoelektrischen Längseffekt nutzen, basieren darauf, dass die Kraft F bzw. der Druck F über die bewegliche Elektrode 3 auf das piezoelektrische Wandlerelement 2, welches beispielsweise scheiben-, ring- oder quaderförmig sein kann, weitergeleitet wird. Durch die starre Widerlagerelektrode 4 erhöht sich die mechanische Spannung innerhalb des Wandlerelements 2, hier ein Quarz 2. Es resultiert eine der Kraft F bzw. dem Druck F proportionale elektrische Ladung an den Elektroden 3, 4, welche abgegriffen und ausgewertet werden kann. Durch eine üblicherweise unterschiedliche Querkontraktion des Quarzes 2 und der Elektroden 3, 4 und einem von Null verschiedenen Reibkoeffizienten entstehen mechanische Querspannungen im Bereich von Grenzschichten 5, 6 zwischen den Elektroden 3, 4 und dem Wandlerelement 2 aus Quarz.Of the 1 is the basic principle of a piezoelectric pressure sensor according to the invention to take. The pressure sensor has a transducer element 2 and two electrodes 3 . 4 on, wherein a force introduction electrode 3 a force or a pressure, which is represented by the arrow F, receives. The abutment electrode 4 is on the opposite side of the transducer element 2 arranged. Force or pressure sensors which utilize a piezoelectric longitudinal effect are based on that the force F or the pressure F via the movable electrode 3 on the piezoelectric transducer element 2 , which may be disc, ring or cuboid, for example, is forwarded. Through the rigid abutment electrode 4 increases the mechanical stress within the transducer element 2 , here a quartz 2 , This results in a force F or the pressure F proportional electric charge at the electrodes 3 . 4 which can be tapped and evaluated. By a usually different transverse contraction of the quartz 2 and the electrodes 3 . 4 and a non-zero friction coefficient, mechanical transverse stresses occur in the region of boundary layers 5 . 6 between the electrodes 3 . 4 and the transducer element 2 made of quartz.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen Elektrodenoberflächen 31, 41 und/oder Wandlerelementoberflächen 21, 22 eine Beschichtung 32, 42, 23, 24 auf, welche vorzugsweise aus Siliziumkarbid oder DLC besteht. Die Beschichtung 32, 42, 23, 24 kann zur Beeinflussung des elektrischen Widerstands dotiert sein.According to a preferred embodiment, electrode surfaces 31 . 41 and / or transducer element surfaces 21 . 22 a coating 32 . 42 . 23 . 24 which preferably consists of silicon carbide or DLC. The coating 32 . 42 . 23 . 24 may be doped to influence the electrical resistance.

In der 2 ist eine Äquipotenziallinie der Gibb'schen Energiedifferenz in einer kristallographischen YZ-Ebene eines Quarzes 2 nach 3a dargestellt, wobei die kristallographische Y-Richtung der mit Y bezeichneten Achse und die kristallographische Z-Richtung der mit Z bezeichneten Achse entspricht. Die durchgezogene Linie 8 stellt eine negative Energiedifferenz dar, welche zwillingsfördernd wirkt. Die gestrichelte Linie 8' stellt eine positive Energiedifferenz dar, die stabilisierend wirkt. Ein Winkel 7 ist von der Z-Achse aus im Uhrzeigersinn angegeben. Im Bereich der durchgezogenen Linie 8, also bei einem Winkel 7 von 30° bis 60° befindet sich eine Zwillingsvorzugsrichtung von Quarz. Querkräfte in der YZ-Ebene in der Zwillingsvorzugsrichtung begünstigen eine Bildung von Dauphinéer Zwillingen.In the 2 is an equipotential line of Gibb's energy difference in a crystallographic YZ plane of a quartz 2 to 3a in which the crystallographic Y direction corresponds to the axis denoted Y and the crystallographic Z direction corresponds to the axis designated Z. The solid line 8th represents a negative energy difference, which has a twinning effect. The dashed line 8th' represents a positive energy difference that has a stabilizing effect. An angle 7 is indicated clockwise from the Z axis. In the area of the solid line 8th So at an angle 7 from 30 ° to 60 ° there is a twin preferred direction of quartz. Transverse forces in the YZ plane in the twin preferred direction favor the formation of Dauphiné twins.

Gemäß bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche in der 3a dargestellt ist, weist das Wandlerelement 2 an der abgebildeten Wandlerelementoberfläche 21 eine Strukturierung 25 auf, welche vorzugsweise nass- bzw. trockenchemisch hergestellt ist. Die Strukturierung 25 verläuft bevorzugt unter einem Winkel 7 zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 30° und 60°, hier etwa von 45° zu der kristallographischen Z-Achse. Durch die Strukturierung 25 stellt sich in der Zwillingsvorzugsrichtung ein niedrigerer Reibwert ein, als in einer zur Zwillingsvorzugsrichtung orthogonalen Richtung. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise vorgesehen, dass gemäß 3b die Elektrodenoberfläche 31 eine Rillenstruktur 33 aufweist, welche ebenfalls im Wesentlichen in der Zwillingsvorzugsrichtung ausgerichtet ist. Die Ausführungen gelten für die nicht dargestellte Wandlerelementoberfläche 22 und die Elektrodenoberfläche 41 sinngemäß.According to a preferred embodiment of the invention, which in the 3a is shown, the transducer element 2 at the imaged transducer element surface 21 a structuring 25 on, which is preferably prepared wet or dry chemical. The structuring 25 preferably runs at an angle 7 between 0 ° and 90 °, in particular between 30 ° and 60 °, here about 45 ° to the crystallographic Z-axis. By structuring 25 In the twin preferred direction, a lower coefficient of friction sets in than in a direction orthogonal to the twin preferred direction. Alternatively or additionally, it is preferably provided that according to 3b the electrode surface 31 a groove structure 33 which is also substantially aligned in the twin preferred direction. The statements apply to the transducer element surface, not shown 22 and the electrode surface 41 analogous.

In der 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors dargestellt. Die obere Elektrode 3 ist hier als Quarz 34 ausgeführt und vorzugsweise zumindest im Bereich der Grenzfläche 5 mit einer Oberflächenmetallisierung 35 versehen. Ebenso ist die untere Elektrode 4 als Quarz 44 ausgeführt und vorzugsweise zumindest im Bereich der Grenzfläche 6 mit einer Oberflächenmetallisierung 45 versehen. Die Elektroden 3, 4 bestehen somit aus dem gleichen Material, wie das Wandlerelement 2 wobei die Elektroden 3, 4 kristallographisch insbesondere so ausgerichtet sind, wie das Wandlerelement 2. Dadurch wird vorteilhaft eine Anisotropie des Wandlerelements 2 durch das gleichartige Material der Elektroden 3, 4 berücksichtigt.In the 4 a further embodiment of the pressure sensor according to the invention is shown. The upper electrode 3 is here as quartz 34 executed and preferably at least in the region of the interface 5 with a surface metallization 35 Mistake. Likewise, the lower electrode 4 as quartz 44 executed and preferably at least in the region of the interface 6 with a surface metallization 45 Mistake. The electrodes 3 . 4 thus consist of the same material as the transducer element 2 the electrodes 3 . 4 crystallographically aligned in particular as the transducer element 2 , As a result, an anisotropy of the transducer element becomes advantageous 2 through the similar material of the electrodes 3 . 4 considered.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10312491 B3 [0001] - DE 10312491 B3 [0001]

Claims (10)

Piezoelektrischer Drucksensor, aufweisend ein piezoelektrisches Wandlerelement (2) und an dem Wandlerelement (2) angeordnete Elektroden (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Grenzfläche (5, 6) zwischen dem Wandlerelement (2) und den Elektrode (3, 4) so gestaltet ist, dass eine Übertragung von Querkräften zwischen dem Wandlerelement (2) und den Elektroden (3, 4) in mindestens einer Raumrichtung minimiert ist.Piezoelectric pressure sensor comprising a piezoelectric transducer element ( 2 ) and on the transducer element ( 2 ) arranged electrodes ( 3 . 4 ), characterized in that at least one interface ( 5 . 6 ) between the transducer element ( 2 ) and the electrode ( 3 . 4 ) is designed so that a transfer of transverse forces between the transducer element ( 2 ) and the electrodes ( 3 . 4 ) is minimized in at least one spatial direction. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (2) ein Kristall ist, insbesondere ein Quarz, wobei die Elektroden (3, 4) und das Wandlerelement (2) vorzugsweise so angeordnet sind, dass ein Piezoelektrischer Längseffekt zur Druckmessung nutzbar ist.Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the transducer element ( 2 ) is a crystal, in particular a quartz, wherein the electrodes ( 3 . 4 ) and the transducer element ( 2 ) are preferably arranged so that a piezoelectric longitudinal effect for pressure measurement is available. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodenoberfläche (31, 41) und/oder eine Wandlerelementoberfläche (21, 22) im Bereich der Grenzflächen (5, 6) eine Beschichtung (32, 42, 23, 24) zur Verminderung eines Reibkoeffizienten aufweist.Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that an electrode surface ( 31 . 41 ) and / or a transducer element surface ( 21 . 22 ) in the area of the interfaces ( 5 . 6 ) a coating ( 32 . 42 . 23 . 24 ) for reducing a coefficient of friction. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Widerstand der Beschichtung (32, 42, 23, 24) einstellbar ist, insbesondere durch Dotierung.Pressure sensor according to claim 3, characterized in that an electrical resistance of the coating ( 32 . 42 . 23 . 24 ) is adjustable, in particular by doping. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodenoberfläche (31, 41) und/oder eine Wandlerelementoberfläche (21, 22) im Bereich der Grenzflächen (5, 6) so strukturiert ist, dass sich in einer Zwillingsvorzugsrichtung ein geringerer Reibkoeffizient einstellt, als in einer zu der Zwillingsvorzugsrichtung orthogonalen Raumrichtung.Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that an electrode surface ( 31 . 41 ) and / or a transducer element surface ( 21 . 22 ) in the area of the interfaces ( 5 . 6 ) is structured so that sets in a twin preferred direction, a lower coefficient of friction, as in a direction orthogonal to the twin preferred direction spatial direction. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Elektrodenoberfläche (31, 41) eine Rillenstruktur (33) aufweist, wobei die Rillenstruktur (33) vorzugsweise durch Schleifen hergestellt ist und wobei weiterhin bevorzugt die Rillenstruktur (33) zu der Zwillingsvorzugsrichtung des Wandlerelements (2) ausgerichtet ist.Pressure sensor according to claim 5, characterized in that at least the electrode surface ( 31 . 41 ) a groove structure ( 33 ), wherein the groove structure ( 33 ) is preferably produced by grinding and furthermore preferably the groove structure ( 33 ) to the twin preferred direction of the transducer element ( 2 ) is aligned. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Wandlerelementoberfläche (21, 22) nass- und/oder trockenchemisch strukturiert ist, wobei die Strukturierung (25) vorzugsweise zu einer kristallographischen Z-Achse des Wandlerelements (2) aus Quarz in einem Winkel (7) zwischen 0° und 90° verläuft, besonders bevorzugt in einem Winkel zwischen 30° und 60°.Pressure sensor according to claim 5, characterized in that at least the transducer element surface ( 21 . 22 ) is structured wet and / or dry chemical, wherein the structuring ( 25 ) preferably to a crystallographic Z-axis of the transducer element ( 2 ) made of quartz at an angle ( 7 ) runs between 0 ° and 90 °, particularly preferably at an angle between 30 ° and 60 °. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (3, 4) zumindest in Richtung einer Zwillingsvorzugsrichtung ein solches Dehnungsverhalten aufweist, dass Relativbewegungen der Elektrode (3, 4) und des Wandlerelements (2) im Bereich der Grenzfläche (5, 6) minimiert sind.Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode ( 3 . 4 ) has such an expansion behavior, at least in the direction of a twin preferred direction, that relative movements of the electrode ( 3 . 4 ) and the transducer element ( 2 ) in the area of the interface ( 5 . 6 ) are minimized. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (3, 4) aus einem Quarz (34, 44) besteht, wobei insbesondere der Quarz (34, 44) der Elektrode kristallographisch so ausgerichtet ist, wie das Wandlerelement (2), wobei die Elektrode (3, 4) vorzugsweise eine Oberflächenmetallisierung (35, 45) aufweist, zumindest im Bereich der Grenzfläche (5, 6)Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode ( 3 . 4 ) from a quartz ( 34 . 44 ), in particular the quartz ( 34 . 44 ) of the electrode is crystallographically oriented as the transducer element ( 2 ), wherein the electrode ( 3 . 4 ) preferably a surface metallization ( 35 . 45 ), at least in the region of the interface ( 5 . 6 ) Verwendung eines Drucksensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Brennraumdrucksensor, insbesondere in einem Antriebsaggregat eines Fahrzeugs.Use of a pressure sensor according to one of the preceding Claims as a combustion chamber pressure sensor, in particular in one Drive unit of a vehicle.
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