DE102009036567A1 - Pressure sensor i.e. tire pressure sensor, for remote-interrogating detection of pressure wave, has electrode structure producing acoustic surface wave that is modulated based on pressure-dependent characteristic value of capacitor - Google Patents

Pressure sensor i.e. tire pressure sensor, for remote-interrogating detection of pressure wave, has electrode structure producing acoustic surface wave that is modulated based on pressure-dependent characteristic value of capacitor Download PDF

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Hubert Gleichmann
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Abstract

The sensor (1) has a piezoelectric sensor element (2) i.e. surface acoustic wave wireless temperature sensor chip, comprising an electrode structure for producing an acoustic surface wave. The wave is modulated based on a pressure-dependent characteristic value of a pressure-loaded electronic component i.e. capacitor (4). A ceramic sensor housing accommodates the sensor element and the component, and comprises a ceramic basic substrate. The sensor element is made of piezoelectric crystal from a group of gallium orthophosphate, zinc oxide, langasite, langanite and langanate and/or quartz. An independent claim is also included for a method for detecting pressure by a pressure sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor und ein Verfahren zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle, mit zumindest einem druckbeaufschlagbaren piezoelektrischen Sensorelement, dem mindestens eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle zugeordnet ist.The The invention relates to a pressure sensor and a method for remote querying Detecting a pressure wave, with at least one pressurizable piezoelectric sensor element, the at least one electrode structure assigned to the excitation of a surface acoustic wave is.

Zur Erfassung von Druckwerten ist beispielsweise aus der EP 1 505 379 A1 ein fernabfragbarer, als Reifendrucksensor ausgebildeter Drucksensor bekannt, der akustische Oberflächenwellen (Surface-Acoustic-Waves = SAW) zur Druckerfassung verwendet. Bei dieser Lösung wird eine akustische Oberflächenwelle auf einer Oberfläche eines piezoelektrischen Elements erzeugt, indem eine Wechselspannung zwischen interdigitalen Elektrodenstrukturen angelegt wird, die alternierend auf dem piezoelektrischen Element ausgebildete Elektrodenfinger aufweisen. Hierbei werden im Bereich der Minus- und Plus-Elektrodenfinger in entgegengesetzten Richtungen wirkende Beanspruchungen in die Oberfläche des piezoelektrischen Elements eingekoppelt, wobei die Plus-/Minuspolaritäten der Elektrodenfingern in Abhängigkeit der Wechselspannung reversieren, so dass die Orientierungen der eingeleiteten Beanspruchungen ebenfalls periodisch reversieren und eine akustische Oberflächenwelle auf dem piezoelektrischen Element erzeugen. Dem Drucksensor ist eine druckbeaufschlagbare Membran zugeordnet, die in Abhängigkeit des Druckniveaus in Richtung der Elektrodenfinger auslenkbar ist, um diese druckabhängig zu kontaktieren und das Messsignal zu modulieren. Aufgrund der diskreten Abstände der durch die Membran zur Druckerfassung kontaktierbaren Elektrodenfinger, ist die Messauflösung dieser herkömmlichen Drucksensoren begrenzt, so dass derartige Sensoren vielfach den hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit nicht genügen.For the detection of pressure values, for example, from EP 1 505 379 A1 a remote-sensing, designed as a tire pressure sensor pressure sensor known that uses surface acoustic waves (SAW) for pressure detection. In this solution, a surface acoustic wave is generated on a surface of a piezoelectric element by applying an AC voltage between interdigital electrode structures having electrode fingers formed alternately on the piezoelectric element. Here, in the region of the minus and plus electrode fingers acting in opposite directions stresses are coupled into the surface of the piezoelectric element, the plus / minus polarities of the electrode fingers reversing in response to the alternating voltage, so that the orientations of the induced stresses also periodically reverse and a generate surface acoustic wave on the piezoelectric element. The pressure sensor is associated with a pressurizable membrane, which is deflectable in response to the pressure level in the direction of the electrode fingers in order to contact these pressure-dependent and to modulate the measurement signal. Due to the discrete distances of the electrode fingers which can be contacted by the membrane for pressure detection, the measuring resolution of these conventional pressure sensors is limited, so that such sensors often do not meet the high demands on the measuring accuracy.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor und ein Verfahren zur Druckerfassung zu schaffen, bei denen eine verbesserte Messung ermöglicht ist.In contrast, the invention has the object, a pressure sensor and to provide a method of pressure sensing in which an improved Measurement is possible.

Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Druckerfassung mit der Merkmalskombination des Patentanspruches 14 gelöst.These Task is achieved by a pressure sensor with the features of claim 1 and a method for pressure detection with the feature combination of claim 14.

Der erfindungsgemäße Drucksensor oder Druckwellensensor zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle verwendet zumindest ein piezoelektrisches Sensorelement (SAW-Temperatursensorchip), wobei das Sensorelement mindestens eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle aufweist. Erfindungsgemäß ist zumindest ein druckbeaufschlagbares elektronisches Bauteil vorgesehen, welches auf den Umgebungsdruck reagiert, wobei das akustische Oberflächenwellensignal in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts des Bauteils modulierbar ist und eine fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung ausbildet. Aufgrund der zur Druckerfassung verwendeten modulierten Oberflächenwellensignale als fernabfragbare Messgröße, wird eine an die hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit genügende Messauflösung erreicht.Of the Pressure sensor according to the invention or pressure wave sensor used for remote sensing of a pressure wave at least a piezoelectric sensor element (SAW temperature sensor chip), wherein the sensor element at least one electrode structure for excitation having a surface acoustic wave. According to the invention at least one pressurizable electronic component is provided, which responds to the ambient pressure, wherein the surface acoustic wave signal depending on a pressure-dependent characteristic value of the component is modulated and a remotely interrogated measure forms for pressure detection. Due to the pressure detection used modulated surface wave signals as remotely interrogatable Measurand, one will meet the high demands sufficient measurement resolution for the measurement accuracy reached.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zumindest ein kapazitives Element als elektronisches Bauteil vorgesehen, dem ein druckbeaufschlagbares Dielektrikum zugeordnet ist, wobei die akustische Oberflächenwelle, und damit das Sensorsignal in Abhängigkeit der druckabhängigen Permittivität des Dielektrikums, d. h. in Abhängigkeit der Kennwerte des kapazitiven Elements modulierbar ist. Eine Druckänderung des Dielektrikums bewirkt eine druckabhängige Änderung der Dielektrizitätskonstante und somit der Kapazität des elektronischen Bauteils.According to one particularly preferred embodiment of the invention is at least a capacitive element as an electronic component provided, which is assigned a pressurizable dielectric, wherein the surface acoustic wave, and thus the sensor signal depending on the pressure-dependent permittivity of the dielectric, d. H. depending on the characteristic values the capacitive element is modulated. A pressure change of the dielectric causes a pressure-dependent change the dielectric constant and thus the capacitance of the electronic component.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das elektronische Bauteil mit dem Sensorelement in einem Parallelschwingkreis angeordnet.at a particularly preferred embodiment of the invention is the electronic component with the sensor element in a parallel resonant circuit arranged.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als kapazitives Element ein Kondensator verwendet wird. Der Kondensator kann beispielsweise als Plattenkondensator mit einander gegenüberliegend angeordneten plattenförmigen Kondensatorelektroden ausgebildet sein. Die Kondensatorelektroden werden mit der Elektrodenstruktur des Sensorelements vorzugsweise zu dem Parallelschwingkreis verschaltet.When It has proven to be particularly advantageous if as capacitive Element a capacitor is used. The capacitor can, for example arranged as a plate capacitor with each other opposite be formed plate-shaped capacitor electrodes. The capacitor electrodes are connected to the electrode structure of the Sensor element preferably connected to the parallel resonant circuit.

Das Sensorelement ist bevorzugt ein hochtemperaturbeständiger, piezoelektrischer Kristall aus der Gruppe Galliumorthophosphat (GaPO4), Zinkoxid (ZnO), Langasit, Langatat, Langanat und/oder Quarz. Die Elektrodenstruktur ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Drucksensors als eine Interdigitalstruktur mit einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Elektrodenfinger ausgebildet. Hierbei erstrecken sich vorzugsweise erste Elektrodenfinger in und zweite Elektrodenfinger entgegen der Richtung der kristallographischen x-Achse des piezoelektrischen Sensorelements.The sensor element is preferably a high-temperature-resistant, piezoelectric crystal from the group of gallium orthophosphate (GaPO 4 ), zinc oxide (ZnO), langasite, langatate, langanate and / or quartz. The electrode structure is formed in a preferred embodiment of the pressure sensor as an interdigital structure with a plurality of electrically conductive electrode fingers. Hereby preferably first electrode fingers extend into and second electrode fingers counter to the direction of the crystallographic x-axis of the piezoelectric sensor element.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn der Drucksensor ein elektrisch isolierendes, vorzugsweise keramisches Sensorgehäuse zur Aufnahme des Sensorelements und des elektronischen Bauteils aufweist.According to the invention it is preferred if the pressure sensor is an electrically insulating, preferably ceramic sensor housing for receiving the Having sensor element and the electronic component.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Sensorgehäuse ein elektrisch nichtleitendes, insbesondere keramisches Grundsubstrat auf. Vorzugsweise sind Sensorelement und elektronisches Bauteil auf dem Grundsubstrat angeordnet.According to one particularly preferred embodiment of the invention the sensor housing has an electrically non-conductive, in particular ceramic base substrate. Preferably, sensor element and arranged electronic component on the base substrate.

Als Dielektrikum findet vorzugsweise Luft und/oder zumindest ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas, Verwendung.When Dielectric preferably contains air and / or at least one inert gas, such as nitrogen or a noble gas, use.

Das Sensorgehäuse ist mit zumindest einer Abdeckung versehen, die bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mindestens eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung einen Druckausgleich (Gasaustausch) zwischen der Kavität des Sensorgehäuses und der Sensorumgebung ermöglicht. Die Abdeckung wird vorzugsweise hochtemperaturfest mittels eines keramischen Klebstoffs oder Glaslots an dem Grundsubstrat befestigt.The Sensor housing is provided with at least one cover, in an embodiment of the invention at least having an opening, wherein the opening a Pressure equalization (gas exchange) between the cavity of the Sensor housing and the sensor environment allows. The cover is preferably high temperature resistant by means of a ceramic adhesive or glass solder attached to the base substrate.

Bei einer alternativen Ausführungsform des Drucksensors ist die Abdeckung als Druckwellen detektierende Membran ausgebildet, welche die Kavität abschließt. Als Dielektrikum findet bei dieser Lösung vorzugsweise Inertgas Verwendung, wobei die abgedichtete Kavität des Sensorgehäuses mit dem Inertgas befüllt ist. Das Sensorgehäuse kann insgesamt hochtemperaturfest und diffusionsdicht ausgeführt sein.at an alternative embodiment of the pressure sensor is the cover is designed as a pressure wave detecting membrane, which closes the cavity. As a dielectric finds in this solution preferably inert gas use, wherein the sealed cavity of the sensor housing with the inert gas is filled. The sensor housing can overall high temperature resistant and diffusion-tight be.

Zur Ankopplung, insbesondere an ein hartes Messobjekt mit hohen Druckwellenbeschleunigungen, kann erfindungsgemäß ein Koppelkörper, beispielsweise aus einem Elastomer oder Weichmetall, mit angepassten Materialeigenschaften verwendet werden.to Coupling, in particular to a hard measuring object with high pressure wave accelerations, can According to the invention a coupling body, for example made of an elastomer or soft metal, with adapted material properties be used.

Dem Sensorgehäuse ist bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zumindest ein Antennensystem zur Fernabfrage zugeordnet. Das Antennensystem weist vorzugsweise eine Antenne auf, die an dem Sensorgehäuse befestigt ist.the Sensor housing is in a particularly preferred embodiment the invention associated with at least one antenna system for remote retrieval. The antenna system preferably has an antenna attached to the Sensor housing is attached.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Druckerfassung mit einem derartigen Drucksensor wird eine akustische Oberflächenwelle mittels zumindest einer auf der Oberfläche eines Sensorkörpers angeordneten Elektrodenstruktur erregt und in Abhängigkeit des druckabhängigen Kennwertes zumindest eines auf den Umgebungsdruck reagierenden, druckbeaufschlagbaren elektronischen Bauteils moduliert. Anschließend erfolgt eine Fernabfrage der modulierten akustischen Oberflächenwelle zur Druckerfassung. Der modulierten akustischen Oberflächenwelle ist ein Drucksignal aufgeprägt, das beispielsweise über eine Antenne an eine Empfängereinheit übertragen wird.at the method according to the invention for pressure detection with such a pressure sensor becomes a surface acoustic wave by means of at least one on the surface of a sensor body arranged electrode structure excited and in dependence the pressure dependent characteristic at least one on the Ambient pressure responsive, pressurizable electronic Component modulated. Subsequently, a remote inquiry takes place the modulated surface acoustic wave for pressure detection. The modulated surface acoustic wave is a pressure signal imprinted, for example, via an antenna is transmitted to a receiver unit.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Modulation der Oberflächenwelle in Abhängigkeit der druckabhängigen Permittivität zumindest eines kapazitiven Elements, dem ein druckbeauschlagbares Dielektrikum zugeordnet ist.at a particularly preferred embodiment of the invention the modulation of the surface wave takes place in dependence the pressure-dependent permittivity of at least one capacitive element, which is a druckbeauschlagbares dielectric assigned.

Vorzugsweise wird die druckabhängige Permittivitätsänderung des Dielektrikums eines Kondensators zur Modulation des akustischen Oberflächenwellensignals verwendet.Preferably becomes the pressure-dependent permittivity change of the dielectric of a capacitor for modulating the acoustic Surface wave signal used.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.other advantageous developments of the invention are the subject of further Dependent claims.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:in the Below is a preferred embodiment of Invention explained in more detail with reference to schematic drawings. Show it:

1 ein Grundersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Drucksensors und 1 a basic equivalent circuit diagram of a pressure sensor according to the invention and

2 eine Einzeldarstellung des als Kondensator ausgebildeten kapazitiven Elements aus 1. 2 a single representation of the capacitor designed as a capacitive element 1 ,

1 zeigt ein schematisches Grundersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Drucksensors 1 zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle, mit einem anhand eines Ersatzschaltbildes dargestellten piezoelektrischen Sensorelement 2 (SAW-Temperatursensorchip), das eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle aufweist. Erfindungsgemäß ist ein druckbeauschlagbares elektronisches Bauteil 4 vorgesehen, welches auf den Umgebungsdruck reagiert, wobei das akustische Oberflächenwellensignal in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts des Bauteils 4 modulierbar ist und eine fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung ausbildet. Aufgrund der als fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung verwendeten modulierten Oberflächenwelle, wird eine hohe Anforderung an die Messgenauigkeit durch genügende Messauflösung erreicht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das elektronische Bauteil 4 als kapazitives Element, insbesondere als Kondensator 4 ausgebildet, dem ein druckbeaufschlagbares Dielektrikum 6 zugeordnet ist, wobei die akustische Oberflächenwelle und damit das Sensorsignal in Abhängigkeit der druckabhängigen Permittivitätsänderung des Dielektrikums 6 des Kondensators 4 modulierbar ist. Der Kondensator 4 ist hierzu mit dem Sensorelement 2 in einem Parallelschwingkreis angeordnet. Eine Druckänderung des Dielektrikums 6 bewirkt eine druckabhängige Änderung der Dielektrizitätskonstante und somit der Kapazität des Kondensators 4. Aktive Bauelemente 8, wie piezoresistive Dehnmessstreifen oder Piezoaktoren, können in Reihe zu dem Parallelwiderstand angeordnet werden. 1 shows a schematic basic equivalent circuit diagram of a pressure sensor according to the invention 1 for the remote sensing of a pressure wave, with a piezoelectric sensor element shown on the basis of an equivalent circuit diagram 2 (SAW temperature sensor chip) having an electrode structure for exciting a surface acoustic wave. According to the invention is a druckbeauschlagbares electronic component 4 provided, which responds to the ambient pressure, wherein the surface acoustic wave signal in response to a pressure-dependent characteristic value of the component 4 can be modulated and forms a remotely measurable parameter for pressure detection. Due to the remote-readable variable for pressure detection used modulated surface wave, a high demand on the measurement accuracy is achieved by sufficient measurement resolution. In the illustrated embodiment of the invention, the electronic component 4 as a capacitive element, in particular as a capacitor 4 formed, which is a pressurizable dielectric 6 is assigned, wherein the surface acoustic wave and thus the sensor signal in dependence of the pressure-dependent Permittivitätsänderung of the dielectric 6 of the capacitor 4 is modulated. The capacitor 4 is this with the sensor element 2 arranged in a parallel resonant circuit. A pressure change of the dielectric 6 causes a pressure-dependent change in the dielectric constant and thus the capacitance of the capacitor 4 , Active components 8th , such as piezoresistive strain gauges or piezo actuators, can be arranged in series with the shunt resistor.

Wie insbesondere 2 zu entnehmen, die eine Einzeldarstellung des Kondensators 4 aus 1 zeigt, ist dieser als Plattenkondensator mit zwei einander gegenüberliegend angeordneten plattenförmigen Kondensatorelektroden 10, 12 ausgebildet. Der Kondensator 4 hat einen etwa rechteckigen, ringförmigen Grundkörper 14 aus einer Keramik, wobei die Kondensatorelektroden 10, 12 als metallisierte, parallele Flächen ausgebildet sind. Die Kondensatorelektroden 10, 12 werden mit der Elektrodenstruktur des piezoelektrischen Sensorelements 2 zu dem Parallelschwingkreis gemäß 1 verschaltet. Hierzu sind Anschlussleiter 16, 18 (Anschlussdrähte) an die Kondensatorelektroden 10, 12 des Kondensators 4 angebonded, die mit der Elektrodenstruktur des Sensorelements 2 verbunden sind.In particular 2 to refer to a single representation of the capacitor 4 out 1 shows, this is a plate capacitor with two oppositely arranged plate-shaped capacitor electrodes 10 . 12 educated. The capacitor 4 has an approximately rectangular, annular body 14 from a ceramic, the capacitor electrodes 10 . 12 are formed as metallized, parallel surfaces. The capacitor electrodes 10 . 12 be with the electrode structure of the piezoelectric sensor element 2 to the parallel resonant circuit according to 1 connected. For this are connection conductors 16 . 18 (Connecting wires) to the capacitor electrodes 10 . 12 of the capacitor 4 bonded to the electrode structure of the sensor element 2 are connected.

Die nicht dargestellte Elektrodenstruktur des Sensorelements 2 ist als Interdigitalstruktur mit einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Elektrodenfinger ausgebildet, wobei die Auslegung der Interdigitalstruktur im Folgenden näher erläutert wird.The electrode structure, not shown, of the sensor element 2 is designed as an interdigital structure with a plurality of electrically conductive electrode fingers, the design of the interdigital structure will be explained in more detail below.

Die Schallgeschwindigkeit vD in dem Sensorelement 2 wird aus dem Produkt der Resonanzfrequenz f und der Periodenlänge L gemäß der Gleichung

Figure 00060001
ermittelt. Dies ergibt sich aus der elektroelastischen Bedingung für die elastische Steifigkeit C E / 33 und einer Dichte ρ des Sensorelements 2.The speed of sound v D in the sensor element 2 is made from the product of the resonance frequency f and the period length L according to the equation
Figure 00060001
determined. This results from the electro-elastic condition for the elastic stiffness CE / 33 and a density ρ of the sensor element 2 ,

Die Schallgeschwindigkeit für die Oberflächenwellen in dem verwendeten Quarzkristall beträgt etwa 4849,6 ms–1, so dass sich eine Frequenzkonstante der Oberflächenwelle mit

Figure 00060002
ergibt. Dies erfordert bei 433.000.000 Hz einen intermediären Abstand a der Elektrodenfinger der Interdigitalstruktur von
Figure 00070001
da die Elektrodenfinger unterschiedlicher Polarität eine viertel Periode auseinander liegen müssen. Durch Anlegen eines hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes mit einer Frequenz von 433 MHz an die Interdigitalstruktur wird das Sensorelement 2 entsprechend zum Schwingen angeregt.The speed of sound for the surface waves in the quartz crystal used is about 4849.6 ms -1 , so that a frequency constant of the surface wave with
Figure 00060002
results. At 433,000,000 Hz this requires an intermediate distance a of the electrode fingers of the interdigital structure of
Figure 00070001
since the electrode fingers of different polarity must be a quarter of a period apart. By applying a high-frequency alternating electric field with a frequency of 433 MHz to the interdigital structure, the sensor element 2 stimulated to vibrate accordingly.

Das Sensorelement 2 ist aus einem Schnitt eines piezoelektrischen Quarz-Kristalls aus der Raumgruppe P3221 oder P3121 hergestellt. Bei Verwendung von Quarz wird vorzugsweise ein Schnitt mit dem Eulertransformations-Winkel im Bereich von etwa XZX = 0°, 37,62°, 0° vorgesehen. Ferner sind ST-Schnitte mit einem Winkel im Bereich von etwa XZX = 0°, 42,30°, 0° einsetzbar. Der ST-Schnitt repräsentiert näherungsweise die Rhomboederfläche von Quarz, welche eine Verkippung der y-z-Ebene von 37,62° aufweist. Der Zieltemperaturbereich des Drucksensors 1 liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 500° bis über 1000°C. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung finden piezoelektrische Kristalle aus der Gruppe Galliumorthophosphat (GaPO4), Zinkoxid (ZnO), Langasit (LGS), Langatat und/oder Langanat Verwendung.The sensor element 2 is made of a section of a piezoelectric quartz crystal from the space group P3 2 21 or P3 1 21. When quartz is used, it is preferable to provide a section with the Euler transformation angle in the range of about XZX = 0 °, 37.62 °, 0 °. Further, ST cuts with an angle in the range of about XZX = 0 °, 42,30 °, 0 ° can be used. The ST section approximately represents the rhombohedral surface of quartz, which has a tilt of the yz plane of 37.62 °. The target temperature range of the pressure sensor 1 is preferably in a range of about 500 ° to about 1000 ° C. In an alternative embodiment of the invention, piezoelectric crystals from the group of gallium orthophosphate (GaPO 4 ), zinc oxide (ZnO), langasite (LGS), langatate and / or langanate are used.

Der Drucksensor 1 hat ein nicht dargestelltes keramisches Sensorgehäuse zur Aufnahme des Sensorelements 2 und des Kondensators 4. Als fertigungstechnisch besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Sensorgehäuse ein elektrisch nichtleitendes, keramisches Grundsubstrat aufweist, wobei das Sensorelement 2 und der Kondensator 4 auf dem Grundsubstrat angeordnet sind. Das Sensorgehäuse ist mit einer Abdeckung versehen, die eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung einen Gasaustausch zwischen der Kavität des Sensorgehäuses und der Sensorumgebung ermöglicht, so dass im Bereich des Kondensators 4 der Umgebungsdruck anliegt, der über eine Veränderung der Dielektrizitätszahl eine Modulation der Oberflächenwelle bewirkt. Die Abdeckung ist hochtemperaturfest mittels eines keramischen Klebstoffes an dem Grundsubstrat befestigt. Das Sensorgehäuse ist insgesamt hochtemperaturfest ausgeführt, wobei der Zieltemperaturbereich des Drucksensors 1 in einem Bereich von etwa 500° bis über 1000°C liegen kann. Zur Ankopplung, insbesondere an ein hartes Messobjekt mit hohen Druckwellenbeschleunigungen, kann ein Koppelkörper, beispielsweise aus einem Elastomer oder Weichmetall, mit angepassten Materialeigenschaften verwendet werden.The pressure sensor 1 has an unillustrated ceramic sensor housing for receiving the sensor element 2 and the capacitor 4 , As a manufacturing technology particularly advantageous it has been found, if the sensor housing has an electrically non-conductive, ceramic base substrate, wherein the sensor element 2 and the capacitor 4 are arranged on the base substrate. The sensor housing is provided with a cover having an opening, wherein the opening allows gas exchange between the cavity of the sensor housing and the sensor environment, so that in the region of the capacitor 4 the ambient pressure is applied, which causes a modulation of the surface wave via a change in the dielectric constant. The cover is fixed to the base substrate in a high temperature-resistant manner by means of a ceramic adhesive. The sensor housing is designed to be high-temperature resistant, the target temperature range of the pressure sensor 1 may be in a range of about 500 ° to over 1000 ° C. For coupling, in particular to a hard measurement object with high pressure wave accelerations, a coupling body, for example made of an elastomer or soft metal, with adapted material properties can be used.

Dem Sensorgehäuse ist ferner ein nicht dargestelltes Antennensystem zur Fernabfrage zugeordnet, das eine außen an dem Grundsubstrat des Sensorgehäuses befestigte Antenne aufweist. Einem elektromagnetischen Wechselfeld von 433 MHz entspräche im Idealfall ein metallischer Dipol von 34 cm Länge. Das Wechselfeld wird dann durch einen 34 cm langen, durch den Chip bei 17 cm unterbrochenen Stabdipol in die Interdigitalstruktur eingekoppelt. Die sich im Bereich der Interdigitalstruktur hinwegbewegenden Wellen werden über den oben genannten Dipol wieder ausgekoppelt. Ein Resonanzkreis des Sensorelements 2 wird von einem Paar aus je zwei Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität gebildet. Diese vier Elektrodenfinger weisen eine Länge von einer viertel Wellenlänge auf (λ/4). Die Eigenschaften dieser Zone gehen wesentlich über die eines L, C-Kreises hinaus.The sensor housing is further associated with an antenna system (not shown) for remote interrogation, which has an antenna fixed to the outside of the base substrate of the sensor housing. An electromagnetic alternating field of 433 MHz would ideally correspond to a metallic dipole of 34 cm in length. The alternating field is then coupled into the interdigital structure through a 34 cm long rod dipole interrupted by the chip at 17 cm. The waves moving away in the region of the interdigital structure are decoupled again via the dipole mentioned above. A resonant circuit of the sensor element 2 is formed by a pair of two electrode fingers of different polarity. These four electrode fingers have a length of one-quarter wavelength (λ / 4). The properties of this zone go far beyond those of a L, C circle.

Offenbart ist ein Drucksensor 1 zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle, mit zumindest einem piezoelektrischen Sensorelement 2, wobei das Sensorelement 2 mindestens eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle aufweist. Erfindungsgemäß ist zumindest ein druckbeaufschlagbares elektronisches Bauteil 4 vorgesehen, wobei die akustische Oberflächenwelle in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts des Bauteils 4 modulierbar ist und eine fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung ausbildet. Weiterhin offenbart, ist ein Verfahren zur Druckerfassung, gemäß dem eine akustische Oberflächenwelle mittels zumindest einer auf der Oberfläche eines Sensorkörpers 2 angeordneten Elektrodenstruktur erregt und in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwertes eines elektronischen Bauteils 4 moduliert wird.Disclosed is a pressure sensor 1 for the remote sensing of a pressure wave, with at least one piezoelectric sensor element 2 , wherein the sensor element 2 has at least one electrode structure for exciting a surface acoustic wave. According to the invention, at least one pressurizable electronic component 4 provided, wherein the surface acoustic wave as a function of a pressure-dependent characteristic value of the component 4 can be modulated and forms a remotely measurable parameter for pressure detection. Further disclosed is a method of pressure sensing according to which a surface acoustic wave is detected by means of at least one on the surface of a sensor body 2 arranged electrode structure excited and in response to a pressure-dependent characteristic of an electronic component 4 is modulated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Drucksensorpressure sensor
22
Sensorelementsensor element
44
elektronisches Bauteil (Kondensator)electronic Component (capacitor)
66
Dielektrikumdielectric
88th
aktives Bauteilactive component
1010
Kondensatorelektrodecapacitor electrode
1212
Kondensatorelektrodecapacitor electrode
1414
Grundkörperbody
1616
Anschlussleiterconnecting conductors
1818
Anschlussleiterconnecting conductors

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 1505379 A1 [0002] - EP 1505379 A1 [0002]

Claims (16)

Drucksensor zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle, mit zumindest einem piezoelektrischen Sensorelement (2), wobei das Sensorelement (2) mindestens eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle aufweist, gekennzeichnet durch zumindest ein druckbeaufschlagbares elektronisches Bauteil (4), wobei die akustische Oberflächenwelle in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts des Bauteils (4) modulierbar ist und eine fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung ausbildet.Pressure sensor for remote sensing of a pressure wave, comprising at least one piezoelectric sensor element ( 2 ), wherein the sensor element ( 2 ) has at least one electrode structure for exciting a surface acoustic wave, characterized by at least one pressurizable electronic component ( 4 ), the surface acoustic wave being dependent on a pressure-dependent characteristic value of the component ( 4 ) is modulated and forms a remotely measurable parameter for pressure detection. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (4) ein kapazitives Element ist, dem ein druckbeaufschlagbares Dielektrikum (6) zugeordnet ist, wobei die akustische Oberflächenwelle in Abhängigkeit der druckabhängigen Permittivität des Dieelektrikums (6) modulierbar ist.Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the electronic component ( 4 ) is a capacitive element to which a pressurizable dielectric ( 6 ), the surface acoustic wave being dependent on the pressure-dependent permittivity of the dielectric ( 6 ) is modulated. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Element ein Kondensator (4) ist.Pressure sensor according to claim 2, characterized in that the capacitive element is a capacitor ( 4 ). Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (4) mit dem Sensorelement (2) in einem Parallelschwingkreis angeordnet ist.Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic component ( 4 ) with the sensor element ( 2 ) is arranged in a parallel resonant circuit. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Dielektrikum (6) Luft und/oder zumindest ein Inertgas vorgesehen ist.Pressure sensor according to one of claims 2 to 4, characterized in that as a dielectric ( 6 ) Air and / or at least one inert gas is provided. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein elektrisch isolierendes, vorzugsweise keramisches Sensorgehäuse zur Aufnahme des Sensorelements (2) und des elektronischen Bauteils (4).Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized by an electrically insulating, preferably ceramic sensor housing for receiving the sensor element ( 2 ) and the electronic component ( 4 ). Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse ein elektrisch nichtleitendes, vorzugsweise keramisches Grundsubstrat aufweist.Pressure sensor according to claim 6, characterized the sensor housing is an electrically non-conductive, preferably having ceramic base substrate. Drucksensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse zumindest eine Abdeckung aufweist.Pressure sensor according to one of claims 6 or 7, characterized in that the sensor housing at least has a cover. Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass, die Abdeckung zumindest eine Öffnung aufweist, die einen Druckausgleich (Gasaustausch) zwischen der Kavität des Sensorgehäuses und der Sensorumgebung ermöglicht.Pressure sensor according to claim 8, characterized in that the cover has at least one opening which a pressure equalization (gas exchange) between the cavity of the sensor housing and the sensor environment. Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass, die Abdeckung als Druckwellen detektierende Membran ausgebildet ist.Pressure sensor according to claim 8, characterized that, the cover formed as a pressure wave detecting membrane is. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen Koppelkörper zur Ankopplung an ein Messobjekt.Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized by at least one coupling body for coupling to a measurement object. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) ein piezoelektrisches Kristall aus der Gruppe Galliumorthophosphat (GaPO4), Zinkoxid (ZnO), Langasit, Langatat, Langanat und/oder Quarz ist.Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor element ( 2 ) is a piezoelectric crystal from the group gallium orthophosphate (GaPO 4 ), zinc oxide (ZnO), langasite, langatate, langanate and / or quartz. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Antennensystem zur Fernabfrage.Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized by at least one antenna system for remote interrogation. Verfahren zur Druckerfassung mittels eines Drucksensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Erregen einer akustischen Oberflächenwelle mittels zumindest einer auf der Oberfläche eines Sensorkörpers (2) angeordneten Elektrodenstruktur; b) Modulieren des akustischen Oberflächenwellensignals in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts eines elektronischen Bauteils (4) und c) Fernabfragen des modulierten akustischen Oberflächenwellensignals zur Druckerfassung.Method for pressure detection by means of a pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized by the steps: a) excitation of a surface acoustic wave by means of at least one on the surface of a sensor body ( 2 ) arranged electrode structure; b) modulating the surface acoustic wave signal as a function of a pressure-dependent characteristic value of an electronic component ( 4 ) and c) remote polling of the modulated surface acoustic wave signal for pressure detection. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Oberflächenwelle in Abhängigkeit der druckabhängigen Permittivität eines druckbeaufschlagbaren Dielektrikum (6) zumindest eines kapazitiven Elements (4) erfolgt.A method according to claim 14, characterized in that the surface acoustic wave as a function of the pressure-dependent permittivity of a pressurizable dielectric ( 6 ) at least one capacitive element ( 4 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die druckabhängige Permittivitätsänderung des Dielektrikums (6) eines Kondensators (4) zur Modulation des akustischen Oberflächenwellensignals verwendet wird.A method according to claim 15, characterized in that the pressure-dependent Permittivitätsänderung of the dielectric ( 6 ) of a capacitor ( 4 ) is used to modulate the surface acoustic wave signal.
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