DE102010056053A1

DE102010056053A1 - Caseless torque sensor for use in drive shaft in e.g. cordless screwdriver in household application, has flexible structural element including sequence of solid layers with dielectric layers arranged on side of piezoelectric layer

Info

Publication number: DE102010056053A1
Application number: DE201010056053
Authority: DE
Inventors: Dr. Ruile Werner
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: DE102010056053B4

Abstract

The sensor (1) has an electro acoustic component (2) i.e. flexible structural element (10) e.g. resonator and delay line, adapted along a curved surface of an object (5) i.e. rotary shaft (6). The element includes a sequence (20) of solid layers with a piezoelectric layer (12) with thickness (d2) smaller than 30 micrometers, electrodes (3) arranged at a boundary surface (12a) of the piezoelectric layer, and dielectric layers (14, 15) arranged on a side of the piezoelectric layer. The element exhibits thickness (H) smaller than 50 micrometers. An independent claim is also included for an assembly with an object i.e. rotary shaft, and a torque sensor.

Description

Die Anmeldung betrifft einen Drehmomentsensor sowie eine Anordnung mit einem Gegenstand und einem Drehmomentsensor.The application relates to a torque sensor and to an arrangement with an object and a torque sensor.

In verschiedensten Gebieten der Technik werden Drehmomente übertragen, deren Stärke und zeitlicher Verlauf oft nicht hinreichend bekannt sind und daher gemessen werden müssen; sei es zur Produktentwicklung oder Produktverbesserung, zur Belastungsprüfung oder für sonstige Zwecke. Infolge der Eigenrotation einer Antriebswelle oder des sonstigen zur Drehmomentübertragung bestimmten Gegenstandes ist es in vielen Anwendungen schwierig oder teils auch unmöglich, elektrische Drahtverbindungen zum Betreiben und Ansteuern des Drehmomentsensors vorzusehen.In various fields of technology torques are transmitted whose strength and time course are often not well known and therefore must be measured; be it for product development or product improvement, for load testing or for other purposes. As a result of the self-rotation of a drive shaft or other intended for torque transmission object, it is difficult or even impossible in many applications to provide electrical wire connections for operating and driving the torque sensor.

Drehmomentmessungen erfolgen daher oft drahtlos über Funk. Durch Hochfrequenzsignale etwa im ISM-Band (industrial – scientific – medical) bei 433 MHz lassen sich Drehmomentsensoren, die auf einer Welle angebracht sind und gemeinsam mit dieser rotieren, anregen, um die (ebenfalls drahtlos) zurückgesendeten Signale auszuwerten. Bei solchen kontaktlosen Messverfahren ist der am rotierenden Gegenstand angebrachte Drehmomentsensor ein passiver Sensor, der ohne eigene Energieversorgung betreibbar ist.Torque measurements are therefore often wirelessly via radio. High-frequency signals such as the ISM (industrial-scientific-medical) band at 433 MHz can be used to excite torque sensors mounted on a shaft and rotate in unison with them to evaluate the signals (also wirelessly) sent back. In such contactless measuring methods, the torque sensor attached to the rotating object is a passive sensor which can be operated without its own power supply.

Drehmomentsensoren basieren auf mechanischen Verspannungen und Verformungen der Welle oder des sonstigen rotierenden Gegenstandes, die durch das herrschende Drehmoment hervorgerufen werden. Diese mechanischen Verformungen in Form von Verdrillungen haben Auswirkungen auf die durch den Drehmomentsensor gemessene Messgröße. Beispielsweise sind Dehnungsmessstreifen bekannt, deren elektrischer Wechselstromwiderstand sich in Abhängigkeit von der mechanischen Dehnung oder Stauchung ändert.Torque sensors are based on mechanical stresses and deformations of the shaft or other rotating object, which are caused by the prevailing torque. These mechanical deformations in the form of twists have an effect on the measured variable measured by the torque sensor. For example, strain gauges are known whose electrical alternating current resistance changes as a function of the mechanical strain or compression.

Bei Oberflächensensoren bzw. SAW-Sensoren (surface acoustic wave) werden an einer freiliegenden Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht akustische Oberflächenwellen erzeugt, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Frequenz sich bei einer Verformung des Gegenstandes, wie sie unter Einfluß eines Drehmoments entsteht, ändert. Die Änderungen der Laufzeit, der Resonanzfrequenz, der Interferenzfrequenz oder sonstiger Eigenschaften der Oberflächenwellen des Sensors erlauben dann Rückschlüsse auf das lokal und zeitlich herrschende Drehmoment.In the case of surface sensors or surface acoustic wave (SAW) sensors, surface acoustic waves are generated on an exposed surface of a piezoelectric layer whose propagation velocity and / or frequency changes when the object is deformed as it occurs under the influence of a torque. The changes in the transit time, the resonance frequency, the interference frequency or other properties of the surface waves of the sensor then allow conclusions about the local and temporal prevailing torque.

SAW-Sensoren sind gehäuste Sensoren. Die Strukturelemente der SAW-Sensoren, die aus einer Folge von Festkörperschichten gebildet sind, sind dabei in einem Sensorgehäuse untergebracht, welches evakuiert oder zumindest mit einem inerten Gas gefüllt ist, damit die Umgebung der freiliegenden Sensoroberfläche, an der sich die Oberflächenwellen ausbilden sollen, nicht durch Außeneinflüsse verändert und dadurch das Messergebnis verfälscht wird. Somit besitzen Oberflächenwellen-Sensoren stets ein Außengehäuse, welches mit seiner Gehäuseunterseite an der zu vermessenden Welle befestigt, und zwar in der Regel angeklebt wird.SAW sensors are housed sensors. The structural elements of the SAW sensors, which are formed by a series of solid-state layers, are accommodated in a sensor housing which is evacuated or at least filled with an inert gas so that the environment of the exposed sensor surface on which the surface waves should form is not changed by external influences and thereby the measurement result is falsified. Thus, surface acoustic wave sensors always have an outer casing, which is fastened with its lower side of the housing to the shaft to be measured, and that is usually glued.

Um das SAW-Sensorgehäuse an einer drehbaren Welle anbringen zu können, ist es üblich, die Welle anzufasen, d. h. lokal etwas Material am zylindrischen Außenumfang der Welle wegzuschleifen, damit erstens ein ebener Oberflächenbereich zum Ankleben des SAW-Sensorgehäuses entsteht und zweitens die Unwucht, die aufgrund der Größe und der Masse des Sensorgehäuses an einer schnell rotierenden Welle entstehen würde, kompensiert oder zumindest verringert wird.In order to attach the SAW sensor housing to a rotatable shaft, it is common to chamfer the shaft, d. H. Locally wegschleleifen some material on the cylindrical outer circumference of the shaft, firstly a flat surface area for adhering the SAW sensor housing is formed and secondly, the imbalance that would arise due to the size and mass of the sensor housing on a fast rotating shaft, compensated or at least reduced.

Das durch das Anschleifen der Welle abgetragene Material gleicht zwar die entstehende Unwucht aus, schwächt jedoch die Welle selbst und macht sie für den eigentlichen Praxiseinsatz nur noch bedingt brauchbar; die so präparierte Welle eignet sich teils nur noch für Testzwecke. Zudem sind die Empfindlichkeit und Messgenauigkeit solch eines herkömmlichen Drehmomentsensors begrenzt.Although the material removed by the grinding of the shaft compensates for the resulting imbalance, it weakens the shaft itself and makes it only of limited use for the actual practical use; The prepared wave is partly only suitable for test purposes. In addition, the sensitivity and measurement accuracy of such a conventional torque sensor are limited.

Es besteht daher ein Bedarf für einen Drehmomentsensor, mit dem die Stärke und der zeitliche Verlauf eines Drehmoments, das durch eine Antriebswelle übertragen wird, kontaktlos und zugleich zerstörungsfrei gemessen werden kann, ohne dass die oben genannten Nachteile auftreten.There is therefore a need for a torque sensor with which the strength and the time profile of a torque transmitted through a drive shaft can be measured without contact and at the same time non-destructively, without the above-mentioned disadvantages occurring.

Es soll daher ein Drehmomentsensor bereitgestellt werden, der eine solche kontaktlose und zugleich zerstörungsfreie Drehmomentmessung ermöglicht und zugleich eine gesteigerte Empfindlichkeit und Messgenauigkeit gegenüber herkömmlichen Drehmomentsensoren besitzt.It is therefore intended to provide a torque sensor which enables such a non-contact and at the same time non-destructive torque measurement and at the same time has an increased sensitivity and measurement accuracy compared to conventional torque sensors.

Dies wird hier erreicht durch einen gehäuselosen Drehmomentsensor mit mindestens einem elektroakustischen Bauelement in Form eines biegsamen, entlang einer gekrümmten Oberfläche eines Gegenstandes, beispielsweise einer drehbaren Welle anschmiegbaren Strukturelements, welches eine Schichtenfolge mehrerer Festkörperschichten aufweist,
wobei die Schichtenfolge des Strukturelements zumindest Folgendes aufweist:

– eine piezoelektrische Schicht mit einer Schichtdicke kleiner als 50 μm, vorzugsweise kleiner als 30 μm,
– Elektroden, die an einer ersten Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht angeordnet sind, und
– zumindest eine dielektrische Schicht, die auf derselben Seite der piezoelektrischen Schicht wie die Elektroden angeordnet ist, und wobei das Strukturelement eine Gesamtdicke kleiner als 100 μm, vorzugsweise kleiner als 50 μm besitzt.

This is achieved here by a housing-free torque sensor having at least one electro-acoustic component in the form of a flexible structural element which can be conformed along a curved surface of an object, for example a rotatable shaft, which has a layer sequence of several solid-state layers,
wherein the layer sequence of the structural element has at least the following:

A piezoelectric layer having a layer thickness of less than 50 μm, preferably less than 30 μm,
- electrodes, which are arranged at a first interface of the piezoelectric layer, and
- At least one dielectric layer which is arranged on the same side of the piezoelectric layer as the electrodes, and wherein the structural element has a total thickness of less than 100 microns, preferably less than 50 microns.

Somit wird ein gehäuseloser Drehmomentsensor mit einem elektroakustischen Bauelement vorgeschlagen, das als biegsames Strukturelement ausgebildet ist. Infolge seiner Biegsamkeit und seiner geringen Materialstärke lässt sich das elektroakustische Bauelement erstmals unmittelbar an der gekrümmten Oberfläche einer drehbaren Welle oder eines sonstigen Gegenstandes anbringen, und zwar in der Weise, dass sich die Unterseite des biegsamen Strukturelements an die gekrümmte Oberfläche der drehbaren Welle bzw. des sonstigen Gegenstandes anschmiegt. Das Strukturelement kann zwar ebenso auch in unverbogenem Zustand an einen angefasten Oberflächenabschnitt der Welle angeklebt werden. In beiden Fällen jedoch entsteht eine sehr viel bessere Übertragung des herrschenden Drehmoments von der Oberfläche der drehbaren Welle auf das elektroakustische Bauelement als im Falle herkömmlicher, gehäuster Drehmomentsensoren, bei denen das elektroakustische Bauelement durch ein Schutzgehäuse umschlossen ist. Dementsprechend wird hiermit ein gehäuseloser Drehmomentsensor bzw. ein gehäuseloses elektroakustisches Bauelement erheblich höherer Empfindlichkeit und Messgenauigkeit bereitgestellt.Thus, a caseless torque sensor is proposed with an electro-acoustic device, which is designed as a flexible structural element. Due to its flexibility and low material thickness, the electro-acoustic device can be attached for the first time directly to the curved surface of a rotatable shaft or other object, in such a way that the underside of the flexible structural element to the curved surface of the rotatable shaft or the other object clings. Although the structural element can also be adhered to a chamfered surface portion of the shaft also in unbent state. In both cases, however, there is a much better transfer of the prevailing torque from the surface of the rotatable shaft to the electro-acoustic device as in the case of conventional, housed torque sensors, in which the electro-acoustic device is enclosed by a protective housing. Accordingly, a housingless torque sensor or a caseless electroacoustic component is provided with considerably higher sensitivity and measurement accuracy.

Ferner wird vorgeschlagen, ein biegsames elektroakustisches Bauelement für geführte akustische Volumenwellen vorzusehen.It is also proposed to provide a flexible electroacoustic device for guided bulk acoustic waves.

Solch ein GBAW-Element (guided bulk acoustic wave) leitet akustische Volumenwellen, die hier in einer piezoelektrischen Schicht mit einer Schichtdicke von weniger als 50 μm angeregt und mit Hilfe von Elekroden geführt werden. Die piezoelektrische Schicht ist dabei innerhalb des Schichtenstapels des Strukturelements angeordnet und dient zur Anregung der akustischen Volumenwellen. Die Oberseite der piezoelektrischen Schicht, auf der die Elektroden angeordnet sind, liegt daher nicht frei, sondern ist durch zumindest eine dielektrische Schicht (und bereichsweise natürlich durch die Elektroden selbst) bedeckt. Die Oberseite der piezoelektrischen Schicht steht daher nicht in Kontakt mit der Umgebung, sodass im Gegensatz zu SAW-Sensoren die umgebende Atmosphäre keinen Einfluss auf die Ausbreitung der akustischen Wellen hat.Such a guided bulk acoustic wave (GBAW) element conducts bulk acoustic waves, which are excited here in a piezoelectric layer with a layer thickness of less than 50 microns and guided by means of electrodes. The piezoelectric layer is arranged within the layer stack of the structural element and serves to excite the bulk acoustic waves. The upper side of the piezoelectric layer on which the electrodes are arranged is therefore not exposed, but is covered by at least one dielectric layer (and, of course, by the electrodes themselves, of course). The top of the piezoelectric layer is therefore not in contact with the environment, so that, in contrast to SAW sensors, the surrounding atmosphere has no influence on the propagation of the acoustic waves.

Ein solches Strukturelement lässt sich (und zwar wahlweise mit seiner Oberseite oder seiner Unterseite) unmittelbar auf die Welle aufbringen, ohne dass ein schützendes Außengehäuse erforderlich wäre. Das biegsame und mit der verdeckten piezoelektrischen Schicht versehene Strukturelement ist statt dessen unmittelbar auf die zu vermessende Welle aufbringbar, insbesondere aufklebbar. Hierzu kann auf bzw. unter einer dielektrischen Schicht des Schichtenstapels oder auf bzw. unter der piezoelektrischen Schicht oder einer sonstigen, weiteren Schicht eine Klebeschicht vorgesehen aufklebbar sein.Such a structural element can be applied directly to the shaft (optionally with its upper side or its underside) without the need for a protective outer housing. The flexible and provided with the hidden piezoelectric layer structure element is instead directly applied to the shaft to be measured, in particular stickable. For this purpose, an adhesive layer provided on or under a dielectric layer of the layer stack or on or under the piezoelectric layer or another, further layer may be provided.

Eine Folge des hier vorgeschlagenen Lösungsweges ist, dass der Schichtenstapel des elektroakustischen Bauelements nun mit einer erheblich kleineren Schichtdicke als bei herkömmlichen, mit Gehäuse versehenen Oberflächensensoren ausgebildet werden kann. Während herkömmlich die Höhe bzw. Gesamtschichtdicke des Strukturelements 300 μm und größer ist, lassen sich nunmehr mechanisch verformbare, d. h. biegsame Strukturelemente mit Schichtdicken unterhalb von 100 nm einsetzen, und zwar nicht mehr nur – wie herkömmlich erforderlich – als planes, ebenes Festkörperbauelement, sondern als dauerhaft gebogenes, an den Umfang der Welle angepasstes Bauelement. Das Bauelement wird vorzugsweise im gebogenem Zustand an den Außenumfang einer drehbaren Welle angeklebt; hierzu ist nur eine dünne Klebstoffschicht erforderlich.A consequence of the approach proposed here is that the layer stack of the electro-acoustic component can now be formed with a significantly smaller layer thickness than conventional surface-mounted sensors provided with housing. While the height or total layer thickness of the structural element is conventionally 300 μm and larger, mechanically deformable, ie. H. Use flexible structural elements with layer thicknesses below 100 nm, and not only - as conventionally required - as a planar, planar solid state device, but as permanently bent, adapted to the circumference of the shaft component. The component is preferably glued in the bent state to the outer periphery of a rotatable shaft; this requires only a thin layer of adhesive.

Die aus mehreren Festkörperschichten (insbesondere der Piezoschicht) hergestellten Sensorbauelemente lassen sich somit erstmals mit einer so geringen Schichtdicke einsetzen, bei der sie biegsam sind und daher ähnlich einer Membran oder Folie unmittelbar an den Außenmantel bzw. den Außenumfang der Welle geklebt werden können. Diese unmittelbare Anbringung am gekrümmten Außenumfang (etwa mit Hilfe einer dünnen Klebeschicht) erhöht bei der aufgrund des Drehmoments entstehenden mechanischen Verspannung die Kraftübertragung zwischen der Welle und dem Sensor; die Empfindlichkeit und Messgenauigkeit des Drehmomentsensors sind gegenüber herkömmlichen, gehäusten Sensoren erheblich gesteigert.The sensor components produced from a plurality of solid-state layers (in particular the piezoelectric layer) can thus be used for the first time with such a small layer thickness that they are flexible and therefore can be glued directly to the outer jacket or the outer circumference of the shaft, similar to a membrane or film. This immediate attachment to the curved outer periphery (such as with the aid of a thin adhesive layer) increases the transmission of force between the shaft and the sensor in the case of the torque due to mechanical stress; The sensitivity and measurement accuracy of the torque sensor are significantly increased over conventional housed sensors.

Zudem wird eine zerstörungsfreie Vermessung von Drehmomenten an Wellen mit gewölbten Außenkonturen erreicht, ohne dass für die Messung ein teilweise zerstörender Materialabtrag an der Außenkontur der Welle vorgenommen werden müsste. Der vorgeschlagene Drehmomentsensor lässt sich ansonsten wie herkömmliche Drehmomentsensoren gestalten (etwa als Resonator oder Verzögerungsleitung bzw. mit Hilfe solcher Elemente), wobei jedoch die zum Einsatz kommenden Strukturelemente, die hier als GBAW-Bauelement mit einer vergrabenen piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind, für die Messung unmittelbar an der drehbaren Welle bzw. des sonstigen Gegenstandes angebracht und insbesondere angeklebt werden – entweder in gebogenem Zustand an dem gekrümmten Außenumfang der drehbaren Welle oder auch in unverbogenem Zustand plan auf einem ebenen, angefasten Oberflächenbereich der Welle.In addition, a non-destructive measurement of torques on shafts with curved outer contours is achieved without having to make a partially destructive material removal on the outer contour of the shaft for the measurement. The proposed torque sensor can otherwise be designed like conventional torque sensors (for example as a resonator or delay line or with the aid of such elements), but the structural elements used here, which are embodied here as a GBAW component with a buried piezoelectric layer, are instantaneous for the measurement attached to the rotatable shaft or the other object and in particular glued - either in the bent state on the curved outer circumference of the rotatable shaft or in non-bent State plan on a plane, chamfered surface area of the shaft.

Sensoren mit gekrümmten, d. h. insgesamt verbogenen bzw. zu verbiegenden Festkörperelementen existieren bislang nicht, weshalb die Messung meist mit einer vorherigen teilweisen Materialzerstörung an der anzufasenden Welle verbunden war. Durch die hier vorgeschlagene Bauform des Sensors kann künftig auch diese Maßnahme entfallen.Sensors with curved, d. H. Total bent or to be bent solid state elements do not exist so far, which is why the measurement was usually associated with a previous partial destruction of the material to be tapped shaft. Due to the design of the sensor proposed here, this measure may be omitted in the future.

Die zumindest eine dielektrische Schicht umfasst beispielsweise eine erste dielektrische Schicht. Die erste dielektrische Schicht ist vorzugsweise eine dielektrische Deckschicht, die den Schichtenstapel insbesondere gegenüber der Umgebung abschließt, oder eine dielektrische Zwischenschicht. Als Zwischenschicht kann sie etwa an eine Klebeschicht zum Aufkleben auf eine Welle angrenzen.The at least one dielectric layer comprises, for example, a first dielectric layer. The first dielectric layer is preferably a dielectric cover layer, which closes off the layer stack, in particular from the environment, or a dielectric intermediate layer. As an intermediate layer, it may for example be adjacent to an adhesive layer for adhering to a shaft.

Die zumindest eine dielektrische Schicht umfasst vorzugsweise zusätzlich noch eine weitere dielektrische Schicht, beispielsweise eine Temperaturstabilisierungsschicht bzw. Temperaturkompensationsschicht (zur Optimierung des Temperaturgangs): Eine solche weitere dielektrische Schicht ist vorzugsweise zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der piezoelektrischen Schicht angeordnet und umschließt vorzugsweise die Elektroden. Die weitere dielektrische Schicht ist jedoch lediglich optional. Sie kann beispielsweise dann, wenn die piezoelektrische Schicht aus Quarz oder einem quarzhaltigen Material (oder einem sonstigen Material, das keine Temperaturstabilisierung bzw. Temperaturkompensation erfordert) besteht, entfallen.The at least one dielectric layer preferably additionally comprises a further dielectric layer, for example a temperature stabilization layer or temperature compensation layer (for optimizing the temperature characteristic). Such a further dielectric layer is preferably arranged between the first dielectric layer and the piezoelectric layer and preferably encloses the electrodes. However, the further dielectric layer is merely optional. For example, it may be omitted when the piezoelectric layer is made of quartz or a quartz-containing material (or other material that does not require temperature stabilization or temperature compensation).

Die zumindest eine dielektrische Schicht kann alternativ auch lediglich eine einzige dielektrische Schicht sein, und zwar wahlweise entweder eine dielektrische Deck- oder Zwischenschicht oder alternativ eine Temperaturstabilisierungsschicht. Diese einzige dielektrische Schicht, welche dann als einzige auf derselben Seite der piezoelektischen Schicht angeordnet ist wie die Elektroden, kann auch beide Funktionen, etwa die der Abschirmung gegenüber der Umgebung bzw. Außenatmosphäre sowie die Funktion der Temperaturstabilisierung gleichzeitig in sich vereinen.Alternatively, the at least one dielectric layer may also be only a single dielectric layer, optionally either a dielectric capping or interlayer, or alternatively a temperature stabilizing layer. This single dielectric layer, which is then the only one arranged on the same side of the piezoelectric layer as the electrodes, can simultaneously combine both functions, such as the shielding from the ambient or external atmosphere and the function of temperature stabilization.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Strukturelement eine Gesamtdicke von weniger als 100 μm, vorzugsweise weniger als 50 μm besitzt. Weiterhin wird die Dicke der piezoelektrischen Schicht vorzugsweise kleiner als 30 μm, beispielsweise zwischen 20 und 30 μm gewählt. Jedoch lässt sich die Piezoschicht auch mit geringeren Schichtdicken bis beispielsweise 12 μm fertigen und kann unterseitig über eine angrenzende Klebeschicht auf die Mantelfläche einer Welle aufgeklebt werden.It is preferably provided that the structural element has a total thickness of less than 100 microns, preferably less than 50 microns. Furthermore, the thickness of the piezoelectric layer is preferably chosen smaller than 30 μm, for example between 20 and 30 μm. However, the piezoelectric layer can also be produced with lower layer thicknesses of, for example, 12 μm and can be adhesively bonded to the lateral surface of a shaft via an adjacent adhesive layer on the underside.

Auf ihrer Außenseite ist eine optonale (weitere) dielektrische Schicht vorgesehen, die vorzugsweise eine Temperaturstabilisierungsschicht ist, welche den Temperaturgang, d. h. die Abhängigkeit der Frequenz der angeregten akustischen Schwingung bzw. Welle von der Temperatur verringert. Dazu wird die aus dem Dielektrikum bestehende optionale dielektrische Schicht bzw. die Temperaturstabilisierungsschicht vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das eine möglichst geringe Temperaturabhängikeit dieser Frequenz, typischerweise in der Größenordnung von ppm/K (parts per million pro Kelvin) besitzt und/oder den Temperaturgang der übrigen Schichten des Strukturelements kompensiert. Die weitere (optionale) dielektrische Schicht (bzw. die Temperaturstabilisierungsschicht) leitet als wellenführende Schicht die akustische Welle (etwa eine Scherwelle) insbesondere langsamer als die piezoelektrische Schicht und als die erste dielektrische Schicht, und sie kann zu diesem Zweck insbesondere eine Siliziumdioxidschicht sein. Die Schichtdicke einer solchen optionalen weiteren dielektrischen Schicht bzw. Temperaturstabilisierungsschicht wird etwa zwischen 0,1 und 0,6 μm gewählt, die Schichtdicke der ersten dielektrischen Schicht hingegen zwischen 3 und 10 μm, beispielsweise 6 μm. Eine solche Schichtdicke genügt, um die angeregte Welle innerhalb des Schichtenstapels des Strukturelements einzuschließen.On its outside there is provided an optonal (further) dielectric layer, which is preferably a temperature stabilizing layer, which controls the temperature response, i. H. reduces the dependence of the frequency of the excited acoustic vibration or wave of the temperature. For this purpose, the dielectric layer consisting of the optional dielectric layer or the temperature stabilization layer is preferably made of a material which has the lowest possible Temperaturabhängikeit this frequency, typically of the order of ppm / K (parts per million per Kelvin) and / or the temperature coefficient of compensates for remaining layers of the structural element. The further (optional) dielectric layer (or the temperature stabilization layer) conducts the acoustic wave (such as a shear wave), in particular slower than the piezoelectric layer and as the first dielectric layer, as a waveguiding layer, and may be, in particular, a silicon dioxide layer for this purpose. The layer thickness of such an optional further dielectric layer or temperature stabilization layer is selected approximately between 0.1 and 0.6 μm, while the layer thickness of the first dielectric layer is between 3 and 10 μm, for example 6 μm. Such a layer thickness is sufficient to enclose the excited wave within the layer stack of the structural element.

Vorzugsweise ist auf der Innenseite bzw. Unterseite des Strukturelements die Klebeschicht zum unmittelbaren Anbringen und vorzugsweise auch Anschmiegen bzw. Verformen des Strukturelements entlang der gekrümmten Oberfläche der Welle vorgesehen. Die piezoelektrische Schicht kann als unterste Schicht des Strukturelements vorgesehen sein und dann unmittelbar an die Klebeschicht angrenzen.Preferably, the adhesive layer is provided on the inside or underside of the structural element for the direct attachment and preferably also nestling or deformation of the structural element along the curved surface of the shaft. The piezoelectric layer may be provided as the lowermost layer of the structural element and then directly adjoin the adhesive layer.

Bei einer Weiterbildung des Drehmomentsensors ist unterhalb der piezoelektrischen Schicht noch eine weitere Schicht (etwa aus einem Dielektrikum oder einem Halbleitermaterial) vorgesehen, beispielsweise aus einem Material, das leichter elastisch verformbar ist als die piezoelektrische Schicht darüber. Beispielsweise kann unterhalb der piezoelektrischen Schicht eine Siliziumschicht vorgesehen sein, um die Verformung der Welle an die piezoelektrische Schicht weiterzugeben. Bei dieser Ausführungsform kann die piezoelektrische Schicht nochmals erheblich dünner gestaltet sein als oben beschrieben, insbesondere kommen geringste Schichtdicken der piezoelektrischen Schicht unterhalb von 0,5 μm (beispielsweise zwischen 50 und 500 nm), insbesondere 50 bis 100 nm in Betracht. Die darunter befindliche weitere Schicht hingegen kann erheblich dicker sein als die piezoelektrische Schicht; beispielsweise zwischen 10 und 75 μm dick.In a further development of the torque sensor, a further layer (for example of a dielectric or of a semiconductor material) is provided below the piezoelectric layer, for example of a material which is more easily elastically deformable than the piezoelectric layer above it. For example, a silicon layer may be provided below the piezoelectric layer to pass the deformation of the wave to the piezoelectric layer. In this embodiment, the piezoelectric layer can again be made significantly thinner than described above, in particular, the lowest layer thicknesses of the piezoelectric layer below 0.5 .mu.m (for example, between 50 and 500 nm), in particular 50 to 100 nm into consideration. By contrast, the further layer underneath can be considerably thicker than the piezoelectric layer; for example, between 10 and 75 microns thick.

Beispielsweise lässt sich eine gedünnte Halbleitersubstratschicht (etwa aus Silizium) oder eine dielektrische Schicht unterhalb der piezoelektrische Schicht einsetzen, so dass die piezoelektrische Schicht und nach ihr die Elektroden und darauf die restlichen Schichten abgeschieden werden können. Im Falle einer Halbleiterschicht kann somit kann somit ein gedünntes, d. h. nachträglich von unten abgeschliffenes Halbleitersubstrat verwendet werden, das bei der Herstellung des Strukturelements als Untergrund für die weiteren Schichten des herzustellenden Strukturelements diente; dies wäre am fertigen Strukturelement etwa anhand der lateralen Strukturgrenzen (etwa der Elektroden) oder der mikroskopischen Schichtgrenzverläufe erkennbar. Als weitere Schicht eignet sich somit eine Halbleiterschicht oder eine dielektrische Schicht. For example, a thinned semiconductor substrate layer (made of silicon, for example) or a dielectric layer can be inserted underneath the piezoelectric layer, so that the piezoelectric layer and after it the electrodes and then the remaining layers can be deposited. In the case of a semiconductor layer, it is therefore possible to use a thinned semiconductor substrate, that is to say subsequently ground off from below, which served as a substrate for the further layers of the structural element to be produced in the production of the structural element. this would be recognizable on the finished structural element, for example on the basis of the lateral structure boundaries (for example the electrodes) or the microscopic layer boundary courses. As a further layer, a semiconductor layer or a dielectric layer is thus suitable.

Infolge der gehäuselosen Bauweise kann nun die Unterseite des Strukturelements selbst mit der Mantelfläche der Welle verbunden, insbesondere verklebt werden und dabei in einem an den Durchmesser der drehbaren Welle angepassten, gekrümmten Zustand an die Mantelfläche gepresst werden, bis die Klebstoffschicht ausgehärtet ist.As a result of the housing-less design, the underside of the structural element can now be connected to the lateral surface of the shaft, in particular glued and thereby pressed in a matched to the diameter of the rotatable shaft, curved state to the outer surface until the adhesive layer is cured.

Vorzugsweise ist das Strukturelement des Drehmomentsensors ein GBAW-Element (guided bulk acoustic wave), d. h. ein Wellenleiter für hochfrequente akustische Volumenwellen. Durch die Hochfrequenzanregung werden somit keine Oberflächenwellen, sondern Volumenwellen in der Schichtenfolge des biegsamen Strukturelements angeregt. Die Elektroden auf der Oberseite der piezoelektrischen Schicht können etwa als Interdigitalwandler mit zwei kammförmig ineinandergreifenden Elektrodenstreifen mit konstantem Abstand zwischen (bzw. einem periodischem Raster aus) den Elektrodenstreifen ausgebildet sein. Basierend auf dieser Bauweise kann das Strukturelement etwa als Resonator oder als Verzögerungsleitung ausgebildet sein. Die kontaktlose Energieübertragung kann etwa mit Hilfe einer Antenne über Funk erfolgen, um über den Interdigitalwandler die Hochfrequenzwellenerzeugung anzuregen.Preferably, the structural element of the torque sensor is a guided bulk acoustic wave (GBAW) element, i. H. a waveguide for high-frequency acoustic bulk waves. As a result of the high-frequency excitation, no surface waves but bulk waves in the layer sequence of the flexible structural element are excited. The electrodes on the upper side of the piezoelectric layer may be formed, for example, as an interdigital transducer with two comb-shaped intermeshing electrode strips with a constant spacing between (or a periodic pattern of) the electrode strips. Based on this construction, the structural element may be formed, for example, as a resonator or as a delay line. The contactless energy transmission can take place, for example with the aid of an antenna via radio to stimulate the high-frequency wave generation via the interdigital transducer.

Die Anmeldung stellt ferner eine Anordnung aus einem Gegenstand, insbesondere einer drehbaren Welle, und einem darauf angebrachtem Drehmomentsensor bereit, der entsprechend der vorliegenden Anmeldung ausgebildet ist. Somit ergibt sich eine Anordnung, die zumindest die Welle und den Drehmomentsensor umfasst, wobei der Sensor vorzugsweise entsprechend der Krümmung der Oberfläche bzw. des Außenmantels der Welle oder des sonstigen Gegenstandes gebogen und verklebt ist. Jedes Strukturelement des Sensors schmiegt sich somit an die Außenkontur der Welle an, d. h. verläuft parallel zu ihr. Somit lassen sich die gehäuselosen und gedünnten Festkörperstrukturelemente erstmals auf zylindrische, insbesondere kreiszylindrische sowie kegelförmige oder anderweitig nicht-planare Mantelflächen aufbringen.The application further provides an assembly of an article, in particular a rotatable shaft, and a torque sensor mounted thereon constructed in accordance with the present application. This results in an arrangement comprising at least the shaft and the torque sensor, wherein the sensor is preferably bent and glued according to the curvature of the surface or the outer shell of the shaft or other object. Each structural element of the sensor thus conforms to the outer contour of the shaft, d. H. runs parallel to her. Thus, the caseless and thinned solid-state structural elements can be applied for the first time to cylindrical, in particular circular-cylindrical and conical or otherwise non-planar lateral surfaces.

Einige Ausführungsbeispiele werden nachstehend in Bezug auf die Figuren beschreiben. Es zeigen:Some embodiments will be described below with reference to the figures. Show it:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines elektroakustischen Bauelements des Drehmomentsensors, aufgeklebt auf die Oberfläche eines Gegenstandes, 1 a schematic cross-sectional view of a first embodiment of an electro-acoustic device of the torque sensor, glued to the surface of an object,

2 eine zweite, alternative Ausführungsform zu 1, 2 a second, alternative embodiment to 1 .

3 eine beispielhafte Anordnung mit der drehbaren Welle und einem gehäuselosen Drehmomentsensor, der unmittelbar an der gekrümmten Außenfläche der Welle angebracht ist, und 3 an exemplary arrangement with the rotatable shaft and a housing-less torque sensor, which is mounted directly on the curved outer surface of the shaft, and

4 eine alternative Ausführungsform zu 1 und 2. 4 an alternative embodiment to 1 and 2 ,

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines elektroakustischen Bauelements 2 des Drehmomentsensors 1, aufgeklebt auf die Oberfläche 4 eines Gegenstandes 5. Das zumindest eine elektroakustische Bauelement 2 des Drehmomentsensors 1 ist ein Strukturelement 10 mit mehreren Festkörperschichten, wobei die genaue Schichtenfolge 20 gemäß dieser Ausführungsform im Querschnitt erkennbar ist. Die einzelnen Schichten sind übertrieben dick und nicht maßstäblich dargestellt. Die Ausbildung geführter akustischer Volumenwellen des GBAW-Bauelements erfolgt teilweise in der piezoelektrischen Schicht 12, die beispielsweise eine Schicht aus Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithiumtantalat (LiTaO₃), Quarz, Langasit, Langatat, Lithiumtetraborat, Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO) oder aus einem sonstigen Piezomaterial ist. Das Piezomaterial kann beispielsweise einkristallin oder polykristallin sein. Die Schichtdicke d2 liegt nicht wie bei herkömmlichen Drehmomentsensoren oberhalb von einigen Hundert Mikrometern, sondern ist kleiner als 50 μm. Die Schichtdicke d2 kann bei durch Abscheidung hergestellten piezelektrischen Schichten (wie beispielsweise Aluminiumnitrid oder Zinkoxid) beispielsweise zwischen 0,5 und 1,5 μm betragen; bei einkristallinen piezelektrischen Schichten hingegen kann die Schichtdicke beispielsweise zwischen 12 und 30 μm, vorzugsweise zwischen 20 und 30 μm betragen. Mit Hilfe von aus einer Metallschicht 13 strukturierten Elektroden 3, die über der ersten Grenzfläche 12a der piezoelektrischen Schicht 12 angeordnet sind, werden in der piezoelektrischen Schicht 12 akustische Volumenwellen angeregt, deren Eigenschaften wie Frequenz bzw. Wellenlänge sich unter Einfluss eines Drehmoments, welches auf die Welle wirkt und zu einer geringfügigen Torsion der Welle führt, verändern. Die Elektroden sind beispielsweise als Interdigitalwandler mit jeweils einer Vielzahl fingerförmiger Elektrodenstreifen pro Elektrode ausgebildet. Die Elektrodenstreifen zweier Elektroden greifen dabei kammförmig ineinander. Die Elektrodenstreifen können beispielsweise in konstantem gegenseitigem Abstand voneinander angeordnet sein, in 1 etwa in Richtung senkrecht zur Zeichenebene. Mit Hilfe des Abstandes zwischen den Elektrodenstreifen wird die Richtung und Wellenlänge der akustischen Volumenwelle im Material der piezoelektrischen Schicht 12 beeinflusst und somit die Volumenwelle durch diese Schicht angeregt. Auf den Elektroden 3 und den dazwischen befindlichen Bereichen der Außenseite, d. h. der ersten Grenzfläche 12a der piezoelektrischen Schicht 12 ist eine optional eine (weitere) dielektrische Schicht 14, vorzugsweise eine Temperaturstabilisierungsschicht, die zur Stabilisierung des Temperaturgangs des gesamten elektroakustischen Bauelements 2 bzw. ihrer Schichtenfolge 20 dient, angeordnet. Dadurch wird die Abhängigkeit der übertragenen Frequenz der hochfrequenten Volumenwellen in Abhängigkeit von der Temperatur, typischerweise gemessen in ppm/K, minimierbar. Durch eine solche (optionale) weitere dielektrische Schicht bzw. Temperaturstabilisierungsschicht 14 wird der Temperaturgang bzw. der „temperature coefficent of frequency” (tcf) beispielsweise auf einen Wert von zwischen 3 und 15 ppm/K reduziert. Durch eine geignete Wahl des piezoelektrischen Materials wie beispielsweise Quarz oder Langasit ist zudem eine vollständige Temperaturkompensation erreichbar (tcf = 0). Insbesondere in diesem Fall kann eine Temperaturstabilisierungsschicht entfallen. 1 shows a schematic cross-sectional view of a first embodiment of an electroacoustic device 2 of the torque sensor 1 , glued on the surface 4 of an object 5 , The at least one electroacoustic component 2 of the torque sensor 1 is a structural element 10 with multiple solid layers, with the exact layer sequence 20 can be seen in cross section according to this embodiment. The individual layers are exaggeratedly thick and not drawn to scale. The formation of guided bulk acoustic waves of the GBAW device occurs partially in the piezoelectric layer 12 which is, for example, a layer of lithium niobate (LiNbO ₃ ), lithium tantalate (LiTaO ₃ ), quartz, langasite, langatate, lithium tetraborate, aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), or other piezoelectric material. The piezoelectric material can be, for example, monocrystalline or polycrystalline. The layer thickness d2 is not above several hundred micrometers as in conventional torque sensors, but is smaller than 50 μm. The layer thickness d2 can be, for example, between 0.5 and 1.5 μm in the case of piezoelectric layers produced by deposition (such as, for example, aluminum nitride or zinc oxide); In the case of monocrystalline piezoelectric layers, by contrast, the layer thickness can be, for example, between 12 and 30 μm, preferably between 20 and 30 μm. With the help of a metal layer 13 structured electrodes 3 that over the first interface 12a the piezoelectric layer 12 are arranged in the piezoelectric layer 12 Volume acoustic waves excited whose characteristics such as frequency or wavelength under the influence of a torque acting on the shaft and leads to a slight twisting of the shaft, change. The electrodes are designed, for example, as interdigital transducers, each having a multiplicity of finger-shaped electrode strips per electrode. The electrode strips of two electrodes mesh with each other in a comb shape. The electrode strips may, for example, be arranged at a constant mutual distance from each other, in FIG 1 approximately in the direction perpendicular to the plane of the drawing. With the aid of the distance between the electrode strips, the direction and wavelength of the bulk acoustic wave in the material of the piezoelectric layer 12 influenced and thus the volume wave excited by this layer. On the electrodes 3 and the intervening areas of the outside, ie the first interface 12a the piezoelectric layer 12 is an optional one (further) dielectric layer 14 , Preferably a temperature stabilization layer, which is used to stabilize the temperature response of the entire electro-acoustic device 2 or their layer sequence 20 serves, arranged. As a result, the dependence of the transmitted frequency of the high-frequency volume waves as a function of the temperature, typically measured in ppm / K, can be minimized. By such (optional) further dielectric layer or temperature stabilization layer 14 For example, the temperature response or the "temperature coefficient of frequency" (tcf) is reduced to a value of between 3 and 15 ppm / K. By a suitable choice of the piezoelectric material such as quartz or langasite in addition, a complete temperature compensation can be achieved (tcf = 0). In particular, in this case, a temperature stabilization layer can be omitted.

Sofern diese Temperaturstabilisierungsschicht bzw. diese (weitere) dielektrische Schicht 14 jedoch vorgesehen ist, ist sie beispielsweise eine SiO₂-Schicht und ihre Schichtdicke d4 beträgt dann beispielsweise zwischen 0,2 und 0,5 μm. Die Elektroden 3 bzw. ihre Elektrodenstreifen besitzen beispielsweise eine Höhe zwischen 50 und 200 nm, beispielsweise 100 nm. Vorzugsweise ist auf der piezoelektrischen Schicht 12 (oder ggfs. auf der Temperaturstabilisierungsschicht) eine (erste) dielektrische Schicht 15 angeordnet. Vorzugsweise ist ihre Schichtdicke d5 größer als diejenige der Temperaturstabilisierungsschicht und beträgt beispielsweise zwischen 4 und 10 μm, beispielsweise 6 μm. Diese erste dielektrische Schicht 15 kann etwa aus einem mittels PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) abgeschiedenen Siliziumdioxid oder einem sonstigen Material gebildet sein. Die dielektrische Schicht bzw. die dielektrischen Schichten, in der bzw. denen die Volumenwelle abklingt, dient bzw. dienen somit zum räumlichen Einschließen der Volumenwelle von außen her.If this temperature stabilization layer or this (further) dielectric layer 14 however, it is provided, for example, an SiO ₂ layer and its layer thickness d ₄ is then for example between 0.2 and 0.5 μm. The electrodes 3 or their electrode strips have, for example, a height between 50 and 200 nm, for example 100 nm. Preferably, on the piezoelectric layer 12 (or optionally on the temperature stabilization layer) a (first) dielectric layer 15 arranged. Preferably, its layer thickness d5 is greater than that of the temperature stabilization layer and is for example between 4 and 10 .mu.m, for example 6 .mu.m. This first dielectric layer 15 For example, it can be formed from a silicon dioxide deposited by PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) or another material. The dielectric layer or layers in which the bulk wave decays, thus serves or serves for the spatial enclosure of the bulk wave from the outside.

In den 1, 2 und 4 sind jeweils sowohl eine erste dielektrische Schicht 15 als auch eine weitere dielektrische Schicht 14 dargestellt. Jedoch braucht insgesamt nur eine einzige dielektrische Schicht (14 oder 15) vorhanden zu sein, und zwar wahlweise die Schicht 14 oder 15. Insbesondere die weitere dielektrische Schicht 14 ist optional. Sofern sie vorgesehen ist, ist sie vorzugsweise eine Temperaturstabilisierungsschicht. Sofern lediglich die erste (und dann einzige) dielektrische Schicht 15 vorhanden ist, ist sie vorzugsweise eine Deckschicht oder eine Zwischenschicht. Sofern bei de dielektrischen Schichten 14 und 15 vorgesehen sind, ist die erste dielektrische Schicht 15 vorzugsweise auf der von der piezoelektrischen Schicht abgewandten Seite der weiteren dielektrischen Schicht 14 angeordnet und vorzugsweise dicker ausgebildet als die weitere dielektrische Schicht 14.In the 1 . 2 and 4 are each both a first dielectric layer 15 as well as another dielectric layer 14 shown. However, all in all, only a single dielectric layer ( 14 or 15 ), optionally the layer 14 or 15 , In particular, the further dielectric layer 14 is optional. If provided, it is preferably a temperature stabilizing layer. If only the first (and then only) dielectric layer 15 is present, it is preferably a cover layer or an intermediate layer. Insofar as the dielectric layers 14 and 15 are provided, the first dielectric layer 15 preferably on the side facing away from the piezoelectric layer side of the further dielectric layer 14 arranged and preferably thicker than the further dielectric layer 14 ,

Das elektroakustische Bauelement 2 benötigt als GBAW-Bauelement, bei dem innenliegende Volumenwellen statt Oberflächenwellen ausgebildet werden, keinerlei Evakuierung oder Kontrolle der Außenatmosphäre auf der Oberseite des Bauelements 2. Damit entfällt das bei Oberflächenwellenleitern sonst erforderliche Gehäuse. Das elektroakustische Bauelement 2 des Drehmomentsensors 1 kann daher unmittelbar auf eine ebene oder sogar gekrümmte Oberfläche 4 eines Gegenstandes 5, insbesondere einer drehbaren Antriebswelle 6 angebracht werden. Das Bauelement 2 wird beispielsweise einfach angeklebt, etwa mit Hilfe der dargestellten Klebeschicht 9 mit einer Schichtdicke zwischen 0,1 und 1 μm. Somit wird hier ein Drehmomentsensor mit mindestens einem elektroakustischen Bauelement 2 vorgeschlagen, welches nicht nur sehr viel dünner und ungehäust, d. h. ohne Schutzgehäuse anzubringen und zu betreiben ist, sondern zusätzlich auch noch biegsam und damit an die Kontur der Umfangsfläche beispielsweise einer Antriebswelle anschmiegbar ist. Hierdurch wird eine sehr viel bessere Einleitung der Kräfte und Verspannungen von der drehbaren Welle 6 bzw. dem sonstigen Gegenstand 5 in das elektroakustische Bauelement 2 hinein erreicht und somit die Empfindlichkeit und Messgenauigkeit des Drehmomentsensors drastisch erhöht. Der hier eingesetzte, gehäusefrei montierte Volumenwellenleiter eröffnet damit neue Anwendungsmöglichkeiten für GBAW-Bauelemente, die herkömmliche gerade mit besonders großer Schichtdicke und in anderen Anwendungen eingesetzt werden. Sie dienen herkömmlich nämlich als elektroakustisches Filterelement in verschiedenen Filteranwendungen und werden dort besonders dick, d. h. mit großer Schichtdicke ausgebildet, da eine Einleitung externer Kräfte gerade unterdrückt werden soll. Insbesondere soll bei einem Filter die gefilterte Frequenz konstant bleiben. Bei dem hier vorgeschlagenen Drehmomentsensor jedoch wird gerade die Frequenzveränderung in einem GBAW-Bauelement als Grundlage für eine von SAW-Bauelementen bisher unerreichte Messgenauigkeit ausgenutzt. Die mit Bezug auf 1 sowie die weiteren Figuren angegebenen Zahlenwerte, insbesondere hinsichtlich der Schichtdicken, sowie die vorgeschlagenen Materialien sind lediglich exemplarisch.The electroacoustic device 2 requires as a GBAW device in which internal bulk waves instead of surface waves are formed, no evacuation or control of the outside atmosphere on the top of the device 2 , This eliminates the case of surface waveguides otherwise required housing. The electroacoustic device 2 of the torque sensor 1 can therefore directly on a flat or even curved surface 4 of an object 5 , in particular a rotatable drive shaft 6 be attached. The component 2 is simply glued, for example, with the help of the adhesive layer shown 9 with a layer thickness between 0.1 and 1 .mu.m. Thus, here is a torque sensor with at least one electro-acoustic device 2 proposed, which is not only much thinner and unhoused, ie without protective housing to install and operate, but in addition also still flexible and thus conformable to the contour of the peripheral surface, for example, a drive shaft. As a result, a much better initiation of the forces and tension of the rotatable shaft 6 or the other object 5 in the electroacoustic device 2 reached and thus increases the sensitivity and accuracy of the torque sensor drastically. The bulky waveguide mounted here, without housing, thus opens up new application possibilities for GBAW components, which are used in conventional applications with particularly large layer thicknesses and in other applications. They conventionally serve namely as an electroacoustic filter element in various filter applications and are there particularly thick, ie formed with a large layer thickness, since an introduction of external forces is just to be suppressed. In particular, in a filter, the filtered frequency should remain constant. In the torque sensor proposed here, however, just the frequency change in a GBAW device as a basis for one of SAW components exploited unprecedented measurement accuracy. The referring to 1 as well as the further figures given numerical values, in particular with regard to the layer thicknesses, as well as the proposed materials are merely exemplary.

2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der im Vergleich zu 1 eine nochmals wesentlich dünnere piezoelektrische Schicht 12 vorgesehen ist und auf ihrer Innenseite, unter der zweiten Grenzfläche 12a eine weitere Schicht 11 Schicht vorgesehen ist. Die weitere Schicht 11 besteht beispielsweise aus Silizium und kann eine epitaktische Siliziumschicht oder auch eine gedünnte Substratschicht sein, je nachdem, ob das elektroakustische Bauelement 2 beginnend mit seiner obersten oder untersten Schicht der Schichtenfolge 20 hergestellt wurde. Die weitere Schicht 11 besitzt insbesondere eine größere Schichtdicke d1 von beispielsweise zwischen 10 und 100 μm (insbesondere kleiner als 50 μm, vorzugsweise kleiner als 30 μm). Im Falle der 2 kann die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht 2 beispielsweise zwischen 50 nm und 1 μm, vorzugsweise zwischen 50 nm und 500 nm liegen. Diese Schichtdicke d2 kann jedoch auch kleiner sein als 50 nm. Die piezoelektrische Schicht 12 kann beispielsweise 0,5 μm oder noch dünner sein; sie kann beispielsweise um das 10- bis 30-fache dünner sein als die Schicht 11. Die Schicht 11 wird vorzugsweise aus einem Material gebildet, das einen kleineren Elastizitätsmodul besitzt und daher leichter verformbar ist als die piezoelektrische Schicht 12. Dies erleichtert das Einkoppeln der Verspannungen von der Welle in die piezoelektrische Schicht 12. 2 shows an alternative embodiment in which compared to 1 an even thinner piezoelectric layer 12 is provided and on its inside, under the second interface 12a another layer 11 Layer is provided. The further layer 11 consists for example of silicon and may be an epitaxial silicon layer or a thinned substrate layer, depending on whether the electro-acoustic device 2 starting with its top or bottom layer of the layer sequence 20 was produced. The further layer 11 in particular, has a greater layer thickness d1 of, for example, between 10 and 100 .mu.m (in particular less than 50 .mu.m, preferably less than 30 .mu.m). In case of 2 can the layer thickness of the piezoelectric layer 2 for example, between 50 nm and 1 .mu.m, preferably between 50 nm and 500 nm. However, this layer thickness d2 can also be less than 50 nm. The piezoelectric layer 12 may be, for example 0.5 microns or even thinner; For example, it may be 10 to 30 times thinner than the layer 11 , The layer 11 is preferably formed of a material which has a smaller modulus of elasticity and is therefore more easily deformable than the piezoelectric layer 12 , This facilitates the coupling of the stresses from the shaft into the piezoelectric layer 12 ,

In den 1 und 2 können als Material für die piezoelektrische Schicht 12 anstelle von Lithiumniobat ebenso Aluminiumnitrid, Zinkoxid oder sonstige geeignete Materialien eingesetzt werden.In the 1 and 2 can be used as material for the piezoelectric layer 12 aluminum nitride, zinc oxide or other suitable materials can also be used instead of lithium niobate.

Die in den 1 und 2 dargestellten Bauelemente 2 besitzen eine Gesamtdicke H, die wesentlich geringer ist als diejenige von herkömmlichen SAW-Sensoren, deren Gesamtdicke oberhalb von 300 Mikrometern liegt und die zudem noch von einem Gehäuse umschlossen sind. Die hier vorgeschlagenen elektroakustischen Bauelemente 2 sind zudem mittels der Klebeschicht 9 hart verklebbar, und zwar unmittelbar an der Antriebswelle selbst. An ihre gekrümmte, beispielsweise zylindrische Umfangsfläche lässt sich das Bauelement wie eine dünne Membran anschmiegen und dauerhaft ankleben. Herkömmliche GBAW-Bauelemente sind hingegen stets eingehäust, d. h. mit einem umschließenden Gehäuse von allen Seiten umgeben, auch von der Unterseite her.The in the 1 and 2 illustrated components 2 have a total thickness H, which is substantially lower than that of conventional SAW sensors whose total thickness is above 300 micrometers and which are also surrounded by a housing. The proposed electro-acoustic components 2 are also by means of the adhesive layer 9 hard glued, and that directly on the drive shaft itself. To its curved, for example, cylindrical peripheral surface, the device can nestle like a thin membrane and permanently adhere. Conventional GBAW components, however, are always housed, ie surrounded by an enclosing housing from all sides, also from the bottom.

Die Elektroden 3 werden vorzugsweise aus einem schweren bzw. dichtem Metall wie beispielsweise Gold, Silber oder Kupfer hergestellt, um eine starke Reflexion an der Grenzfläche 12a zur piezoelektrischen Schicht 12 zu erzielen. Für die piezoelektrische Schicht 12 können auch weitere Materialien außer den zu 1 genannten eingesetzt werden. Die gemäß 2 zusätzlich vorgesehene weitere Schicht 11 besteht beispielsweise aus einem stark verformbaren Material wie beispielsweise Silizium, und zwar in epitaktischer bzw. einkristalliner Form. Gerade das Abdünnen der Strukturelemente 10 bzw. der elektroakustischen Bauelemente 2 macht diese nochmals empfindlicher gegenüber mechanischen Einwirkungen und Torsionsspanungen.The electrodes 3 are preferably made of a dense metal such as gold, silver or copper to provide strong reflection at the interface 12a to the piezoelectric layer 12 to achieve. For the piezoelectric layer 12 can also use other materials besides those too 1 be used mentioned. The according to 2 additionally provided further layer 11 For example, it consists of a highly deformable material such as silicon, in epitaxial or monocrystalline form. Especially the thinning of the structural elements 10 or the electroacoustic components 2 makes them even more sensitive to mechanical effects and torsional stress.

Der vorgeschlagene Drehmomentsensor 1 kann ein oder auch mehrere, beispielsweise zwei elektroakustische Bauelemente 2 aufweisen. Der Drehmomentsensor 1 kann als Resonator, als akustische Verzögerungsleitung oder als eine sonstige Art von Sensoren auf der Basis elektrooptischer Volumenwellen ausgebildet sein. Der genaue Schaltungsaufbau ist hier nicht entscheidend; er ist derselbe wie bei den verschiedenen Arten herkömmlicher Drehmomentsensoren. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass gemäß dieser Anmeldung GBAW-Elemente (statt SAW-Elemente bzw. Oberflächenwellenleiter) zur Drehmomentmessung eingesetzt verwendet werden, die zudem ungehäust und mit erheblich geringerer Höhe bzw. Gesamtschichtdicke H unmittelbar an der Antriebswelle befestigt (und an ihre Oberfläche angeschmiegt) werden.The proposed torque sensor 1 can one or more, for example, two electro-acoustic components 2 exhibit. The torque sensor 1 may be formed as a resonator, as an acoustic delay line or as another type of sensors based on electrooptical bulk waves. The exact circuitry is not critical here; it is the same as the various types of conventional torque sensors. The difference, however, is that according to this application, GBAW elements (instead of SAW elements or surface waveguides) are used for torque measurement, which is also attached to the drive shaft (and to its surface) unheated and with a significantly lower height H nestled).

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Drehmomentsensor 1 als Resonator ausgebildet ist und zwei elektroakustische Bauelemente 2 aufweist. Jedes Bauelement 2 kann gemäß 1, 2 oder einer sonstigen Ausführungsform ausgebildet und an die Oberfläche einer Antriebswelle oder eines sonstigen Gegenstandes 5 angeklebt sein. Der Gegenstand 5, dessen Drehmoment. bzw. dessen dadurch verursachte Torsion durch den Drehmomentsensor 1 gemessen werden soll, ist gemäß 3 ein Abschnitt einer drehbaren Welle 6, an deren zylindrischem Außenumfang der Drehmomentsensor 1 gehäuselos angebracht ist. Insbesondere sind die beiden elektroakustischen Bauelemente 2 der gekrümmten Außenumfangsfläche folgend, aber in jeweils unterschiedlich um 45° verdreht zur axialen Richtung der Drehachse angeordnet. Die einander zugewandten Enden beider elektroakustischen Bauelemente 2 bzw. die dort austretenden Elektroden sind miteinander und mit einer Hochfrequenzantenne 7 verbunden, die zum Empfang von Hochfrequenzanregungssignalen und zur darauffolgenden Abgabe eines abklingenden Antwortpulses bestimmt ist. An den voneinander abgewandten Enden der elektroakustischen Bauelemente 2 bzw. der dort austretenden Elektroden befinden sich Leitungsenden 8. 3 shows an embodiment in which the torque sensor 1 is formed as a resonator and two electroacoustic components 2 having. Every component 2 can according to 1 . 2 or any other embodiment and to the surface of a drive shaft or other object 5 be glued on. The object 5 , its torque. or its torsion caused thereby by the torque sensor 1 is to be measured is according to 3 a section of a rotatable shaft 6 , on the cylindrical outer circumference of the torque sensor 1 is mounted caselessly. In particular, the two electroacoustic components 2 following the curved outer peripheral surface, but arranged differently at 45 ° to the axial direction of the rotation axis. The mutually facing ends of both electroacoustic components 2 or the electrodes emerging there are with each other and with a high-frequency antenna 7 which is for receiving high-frequency excitation signals and for the subsequent delivery of a decaying response pulse is determined. At the opposite ends of the electro-acoustic components 2 or the electrodes emerging there are line ends 8th ,

Die in 3 dargestellte Anordnung 25 mit der drehbaren Welle 6 und dem Drehmomentsensor 1, bei der der Drehmomentsensor 1 als Resonator ausgebildet ist, unterscheidet sich von herkömmlichen Resonatoren dadurch, dass er gehäuselos und damit unmittelbar an der Welle 6, und zwar sogar an ihrer gekrümmten, nicht-planaren Außenfläche anbringbar ist; dies gilt insbesondere für die elektroakustischen Bauelemente 2 bzw. ihrer Strukturelemente 10, die zudem erheblich dünner und biegsam sind, ganz im Gegensatz zu eingehäusten SAW-Drehmomentsensoren oder eingehäusten GBAW-Filterbauelementen mit bewusst groß gewählter Gesamthöhe, d. h. Gesamtschichtdicke der Schichtenfolge der GBAW-Strukturelemente. Ansonsten können erfindungsgemäß Drehmomentsensoren jeder herkömmlichen Bauweise mit einem oder mehreren biegsamen Strukturelementen (des in dieser Anmeldung beschriebenen Schichtaufbaus) versehen sein, insbesondere mit zwei Strukturelementen gleichem Temperaturgang, aber gegenläufigen Auswirkungen des Drehmoments auf das durch die akustische Welle erzeugte Signal. Die Antenne dient dabei zur berührungslosen Signalübertragung.In the 3 illustrated arrangement 25 with the rotatable shaft 6 and the torque sensor 1 in which the torque sensor 1 is designed as a resonator, differs from conventional resonators in that it caseless and thus directly on the shaft 6 , even on its curved, non-planar outer surface is attachable; This applies in particular to the electroacoustic components 2 or their structural elements 10 which are also significantly thinner and flexible, in contrast to housed SAW torque sensors or housed GBAW filter devices with deliberately large overall height, ie total layer thickness of the layer sequence of the GBAW structural elements. Otherwise, according to the invention, torque sensors of any conventional design can be provided with one or more flexible structural elements (of the layer structure described in this application), in particular with two structural elements having the same temperature response, but opposing effects of the torque on the signal generated by the acoustic wave. The antenna serves for non-contact signal transmission.

Gemäß 4 kann die Schichtenfolge aus 1 oder 2 auch über Kopf an einer Welle angebracht sein, mit einer Klebeschicht (Schichtdicke z. B. 0,5 bis 2 μm) unterhalb der (ersten) dielektrischen Schicht 15 (Schichtdicke z. B. 2 bis 6 μm), oberhalb derer die optionale weitere dielektrische Schicht 14 bzw. die Temperaturstabilisierungsschicht (Schichtdicke z. B. 0,6 bis 1 μm) mit den Elektroden 3 und darüber die piezoelektrische Schicht 12 (Schichtdicke z. B. 20 bis 30 μm oder altarnativ weniger als 4 μm) angeordnet ist. Optional kann darüber noch eine weitere (dielektrische) Schicht 11 (Schichtdicke z. B. 20 bis 40 μm) angeordnet sein.According to 4 can the layer sequence off 1 or 2 also be attached to a shaft above the head, with an adhesive layer (layer thickness, for example, 0.5 to 2 μm) below the (first) dielectric layer 15 (Layer thickness eg 2 to 6 μm), above which the optional further dielectric layer 14 or the temperature stabilization layer (layer thickness, for example, 0.6 to 1 μm) with the electrodes 3 and above that, the piezoelectric layer 12 (Layer thickness, for example, 20 to 30 microns or altarnativ less than 4 microns) is arranged. Optionally, a further (dielectric) layer can be added 11 (Layer thickness, for example, 20 to 40 microns) may be arranged.

Einige der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise Drehmomentsensoren an Antriebswellen in elektrisch betriebenen Werkzeuggeräten des Haushalts oder der Industrie, beispielsweise Schlagbohrmaschinen oder Akkuschrauber, oder auch an Wellen im Antriebsstrang vom Motor, Kupplung oder Getriebe in Fahrzeugen oder Werkzeugmaschinen, aber auch in Generatoren zur Stromerzeugung.Some of the many applications are, for example, torque sensors on drive shafts in electric household or industrial power tools, such as impact drills or cordless screwdrivers, or waves in the drive train from the engine, clutch or transmission in vehicles or machine tools, but also in generators for power generation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Drehmomentsensortorque sensor
22: elektroakustisches Bauelementelectroacoustic component
33: Elektrodenelectrodes
44: Oberflächesurface
55: Gegenstandobject
66: drehbare Wellerotatable shaft
77: Antenneantenna
88th: Leitungsendecable end
99: Klebeschichtadhesive layer
1010: Strukturelementstructural element
1111: weitere Schichtanother layer
1212: piezoelektrische Schichtpiezoelectric layer
12a12a: erste Grenzflächefirst interface
12b12b: zweite Grenzflächesecond interface
1313: Metallschichtmetal layer
1414: weitere dielektrische Schichtanother dielectric layer
1515: erste dielektrische Schichtfirst dielectric layer
2020: Schichtenfolgelayer sequence
2525: Anordnungarrangement
d1, d2, d4, d5d1, d2, d4, d5: Schichtdickelayer thickness
HH: Gesamtdicketotal thickness

Claims

Housing-free torque sensor ( 1 ) with at least one electroacoustic component ( 2 ) in the form of a flexible, along a curved surface of an object ( 5 ), for example a rotatable shaft ( 6 ) conformable structural element ( 10 ), which is a layer sequence ( 20 ) of several solid-state layers, wherein the layer sequence ( 20 ) of the structural element ( 10 ) at least: - a piezoelectric layer ( 12 ) with a layer thickness (d2) smaller than 50 μm, preferably smaller than 30 μm, - electrodes ( 3 ) at a first interface ( 12a ) of the piezoelectric layer ( 12 ), and - at least one dielectric layer ( 14 . 15 ) located on the same side of the piezoelectric layer ( 12 ) like the electrodes ( 3 ), and wherein the structural element ( 10 ) has a total thickness (H) smaller than 100 μm, preferably smaller than 50 μm.

Torque sensor according to claim 1, characterized in that the at least one dielectric layer ( 14 . 15 ) a first dielectric layer ( 15 ) and / or another dielectric layer ( 14 ), which is preferably a temperature stabilizing layer.

Torque sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the piezoelectric layer ( 12 ) is a monocrystalline or polycrystalline layer with a layer thickness (d2) between 12 and 30 microns, preferably between 20 and 30 microns.

Torque sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the further dielectric layer ( 14 ) has a layer thickness (d4) between 0.1 and 0.6 μm, whereas the first dielectric layer ( 15 ) has a greater layer thickness (d5), preferably between 3 and 10 μm.

Torque sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the at least one structural element ( 10 ) an adhesive layer ( 9 ) for directly adhering the flexible structural element ( 10 ) on a curved surface ( 4 ) of an object ( 5 ), such as a rotatable shaft ( 6 ) having.

Torque sensor according to one of claims 1, 2, 4 or 5, characterized in that the piezoelectric layer ( 12 ) has a layer thickness (d2) smaller than 4 μm, preferably between 0.4 and 1 μm, and that the piezoelectric layer ( 12 ) on its of the electrodes ( 3 ) facing away from another layer ( 11 ), wherein the piezoelectric layer ( 12 ) the only layer of the layer sequence ( 20 ) which is piezoelectric.

Torque sensor according to claim 6, characterized in that the further layer ( 11 ) has a layer thickness (d1) which is greater than the layer thickness (d2) of the piezoelectric layer ( 12 ), and that the further layer ( 11 ) has a smaller modulus of elasticity than the piezoelectric layer ( 12 ).

Torque sensor according to claim 6 or 7, characterized in that the further layer ( 11 ) has a layer thickness (d1) of between 10 μm and 100 μm, whereas the layer thickness (d2) of the piezoelectric layer ( 12 ) is 10 to 30 times smaller than the layer thickness (d1) of the further layer ( 11 ).

Torque sensor according to one of claims 6 to 8, characterized in that the further layer ( 11 ) is a thinned semiconductor substrate layer.

Torque sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the total thickness (H) of the at least one structural element ( 10 ) as well as the layer thicknesses and material compositions of the layers of the at least one structural element ( 10 ) are selected such that the at least one structural element ( 10 ) as a flexible membrane to a curved surface ( 4 ) of an object ( 5 ), such as a rotatable shaft ( 6 ) conformable and in a curved state permanently with the curved surface ( 4 ) is glued.

Torque sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the at least one structural element ( 10 ) of the torque sensor ( 1 ) is a waveguide for guided bulk acoustic waves.

Torque sensor according to one of claims 1 to 11, characterized in that the at least one structural element ( 10 ) of the torque sensor ( 1 ) is a resonator or a delay line.

Arrangement ( 25 ) with an object ( 5 ), in particular a rotatable shaft ( 6 ) and a housingless torque sensor ( 1 ) according to one of claims 1 to 12, wherein the electroacoustic component ( 2 ) caseless to the surface ( 4 ) of the object ( 5 ) or otherwise caseless on the surface ( 4 ) of the object ( 5 ) is attached.

Arrangement according to claim 13, characterized in that the at least one structural element ( 10 ) of the torque sensor ( 1 ) according to the curvature of the surface ( 4 ) of the object ( 5 ) is curved and in curved form to the curvature of the surface ( 4 ) of the object ( 5 ) nestled.

Arrangement according to claim 13 or 14, characterized in that the object ( 5 ) a rotatable shaft ( 6 ) and that the curved surface ( 4 ) a peripheral surface of the rotatable shaft ( 6 ) whose contour is also in the region of the at least one glued or otherwise attached structural element ( 10 ) of the housing-less torque sensor ( 1 ) curved, in particular cylindrical, circular cylindrical, conical or otherwise non-planar shaped.