DE3333315A1 - PIEZOELECTRIC PRESSURE SENSOR - Google Patents
PIEZOELECTRIC PRESSURE SENSORInfo
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Description
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Piezoelektrischer DrucksensorPiezoelectric pressure sensor
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischer Drucksensor aus einer mit Elektroden versehenen zylindrischen Scheibe aus polarisiertem ferroe lektrisehen keramischen Material.The invention relates to a piezoelectric Pressure sensor made of a cylindrical disk made of polarized ferroe lektrisehen with electrodes ceramic material.
Es ist bekannt, für Druckmessungen auf den verschiedensten Gebieten piezoelektrische Sensoren zu verwenden. So ist beispielsweise aus der DE-PS 727 041 ein piezoelektrischer Drucksensor bekannt, der insbesondere zur Ver-Wendung bei Verbrennungsmotoren bestimmt ist. Der bekannte Drucksensor besteht aus einer oder mehreren Quarzscheiben, die in einem Gehäuse angeordnet sind, welches beispielsweise in die Zündkerzenbohrung des Motors eingeschraubt werden kann.It is known for pressure measurements on the most diverse Areas to use piezoelectric sensors. So is for example from DE-PS 727 041 a piezoelectric Known pressure sensor which is intended in particular for use in internal combustion engines. The known Pressure sensor consists of one or more quartz disks, which are arranged in a housing, which for example screwed into the spark plug bore of the engine can be.
Aus der DE-AS 1 058 773 ist weiter ein piezoelektrischer Drucksensor bekannt, der aus einer zylindrischen Scheibe aus keramischem piezoelektrischen Material besteht, die an den beiden Stirnflächen mit Elektroden versehen ist und in Richtung der Zylinderachse polarisiert ist. DerDE-AS 1 058 773 also discloses a piezoelectric Known pressure sensor, which consists of a cylindrical disc consists of ceramic piezoelectric material, the is provided with electrodes on the two end faces and is polarized in the direction of the cylinder axis. Of the
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auf die Scheibe ausgeübte Druck wi rkt g Lei chfa L L s in Richtung der ZyLinderachse, d.h. also in der Richtung der Polarisation. Es wurde dabei festgestellt, daß durch einen Druck in Polarisationsrichtung die Polarisation vermindert wurde. Um diesen Nachteil zu beheben, wurde in der genannten Veröffentlichung vorgeschlagen, die Scheibe aus piezoelektrischem keramischen Material unter eine radiale Vorspannung zu setzen. Dies ist jedoch mit einem größeren Aufwand verbunden.Pressure exerted on the disc has a negative effect on the lens Direction of the cylinder axis, i.e. in the direction the polarization. It was found that by applying pressure in the direction of polarization, the polarization was decreased. In order to remedy this disadvantage, it was proposed in the mentioned publication, the disk made of piezoelectric ceramic material to put under a radial preload. However, this is associated with a greater effort.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Drucksensor der eingangs genannten Art. zu schaffen, der einen einfachen Aufbau hat und dessen piezoelektrische Eigenschaften bei hohen axialen Drucken nicht geschwächt we rden.The object of the invention is to provide a piezoelectric To create pressure sensor of the type mentioned, which has a simple structure and its piezoelectric Properties not weakened at high axial pressures will.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs-^ genannten Maßnahmen gelöst.This task is carried out by the in the characterizing part of the claim ^ mentioned measures solved.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.Advantageous developments of the invention can Subclaims are taken.
Der Drucksensor gemäß der Erfindung besteht aus einem scheibenförmigen Ring aus f er roelekt ri schein keramischen Material, der in radialer Richtung polarisiert ist und Elektroden auf der äußeren und inneren Mantelfläche des Ringes hat. Ein solcher Drucksensor eignet sich fürThe pressure sensor according to the invention consists of a disk-shaped ring made of ceramic f er roelekt ri Material that is polarized in the radial direction and electrodes on the outer and inner surface of the Ring has. Such a pressure sensor is suitable for
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Drucke bis zu 0,2 x 10 Pascal, ohne daß durch den a χ i a len
Druck die piezoelektrischen Eigenschaften des Materials
verschlechtert werden. Ein solcher Sensor eignet9
Print up to 0.2 x 10 Pascal without the piezoelectric properties of the material being impaired by the a χ ia len pressure. Such a sensor is suitable
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sich daher insbesondere zur Verwendung bei Verbrennungsmotoren zur überwachung des Verbrennungsvorganges im Zylinder, womit die Möglichkeit gegeben ist, optimale Betriebsbedingungen hinsichtlich Leistung oder Verbrauch einzustellen, indem beispielsweise abhängig von den gemessenen Werten die Gemischzusammensetzung geändert wi rd.therefore particularly suitable for use in internal combustion engines for monitoring the combustion process in Cylinder, with which there is the possibility of optimal operating conditions in terms of performance or consumption set by, for example, dependent on the mixture composition changed according to the measured values will.
Der piezoelektrische Drucksensor ist sehr einfach aufgebaut und läßt sich sehr einfach an beliebigen Stellen montieren.The piezoelectric pressure sensor has a very simple structure and can be installed very easily at any point.
Die Erfindung soll anhand der Figuren näher erläutert werden. The invention is to be explained in more detail with reference to the figures.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den piezoelektrischen Drucksensor gemäß der Erfindung.Fig. 1 shows a perspective view of the piezoelectric Pressure sensor according to the invention.
Die Fig. 2 und 3 zeigen im Schnitt zwei praktische Ausführungsformen der Erfindung.FIGS. 2 and 3 show, in section, two practical embodiments the invention.
Fig. 4 zeigt im Schnitt, wie der Drucksensor gemäß Fig. 3 in einfacher Weise montiert werden kann.FIG. 4 shows in section how the pressure sensor according to FIG. 3 can be mounted in a simple manner.
Der Drucksensor gemäß der Erfindung besteht wie in Fig. 1 dargestellt ist, aus einem zylindrischen Ring 1 aus ferroelektrischem keramischen Material. Als Material eignen sich besonders verschiedene Zusammensetzungen von Bleizirkonat-Titanat. Der Ring ist an seinen MantelflächenThe pressure sensor according to the invention, as shown in Fig. 1, consists of a cylindrical ring 1 made of ferroelectric ceramic material. Various compositions of lead zirconate titanate are particularly suitable as the material. The ring is on its lateral surfaces
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mit Elektroden versehen, und zwar mit einer Elektrode auf der äußeren Mantelfläche und einer Elektrode 3 auf der inneren Mantelfläche. Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus aufgedampften, aufgestäubten oder in anderer Weise aufgebrachten Metal Ischichten.provided with electrodes, namely with an electrode on the outer jacket surface and an electrode 3 the inner jacket surface. The electrodes are preferably made from vaporized, dusted or other Metal layers applied in a manner.
Der Ring wurde in üblicher Weise polarisiert, und zwar in diesem Falle in radialer Richtung, wie in Fig. 1 durch die Pfeile angedeutet ist. Durch diese radiale Polarisation wird erreicht, daß bei sehr hohen axialen Drucken die piezoelektrischen Eigenschaften erhalten bleiben.The ring was polarized in the usual way, namely in this case in the radial direction, as indicated in Fig. 1 by the arrows. Because of this radial polarization that is achieved at very high axial pressures the piezoelectric properties are retained.
Durch die Ringform ist eine sehr einfache Montage möglich, wie dies später noch erläutert wird.The ring shape makes it very easy to assemble, as will be explained later.
Der in Fig. 1 dargestellte Ring kann z.B. einen Außendurchmesser von etwa 22 mm, einen Innendurchmesser von 14 mm und eine Dicke von 4 mm haben.For example, the ring shown in Figure 1 may have an outside diameter of about 22 mm, an inner diameter of 14 mm and a thickness of 4 mm.
Im Prinzip kann der in Fig. 1 dargestellte Ring schon als Drucksensor verwendet werden, wenn die Elektroden 2 und mit entsprechenden Anschlüssen versehen sind. Es muß jedoch auch darauf geachtet werden, daß bei der Montage kein Kurzschluß zwischen der äußeren Elektrode 2 und der inneren Elektrode 3 eintritt.In principle, the ring shown in Fig. 1 can already be used as a pressure sensor if the electrodes 2 and are provided with appropriate connections. However, it must also be ensured that during assembly no short circuit occurs between the outer electrode 2 and the inner electrode 3.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt. Der Ring 1 aus ferroelektrischem keramischen Material, der an der äußeren undA preferred embodiment of the invention is in Fig. 2 shown in section. The ring 1 made of ferroelectric ceramic material, which is attached to the outer and
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inneren Mantelfläche die Elektroden 2 bzw. 3 trägt, ist an den Stirnseiten mit ringförmigen IsoLierstoffscheiben 4 bzw. 5 bedeckt. Die beiden Scheiben werden vorzugsweise fest mit dem Ring 1 verbunden/ beispieLsweise durch Kleben. Die Ringe 4 und 5 bestehen vorzugsweise aus isolierendem keramischen Material, wie z.B. aus Aluminiumoxid. Zur Erleichterung des elektrischen Anschlusses für die innere Elektrode 3 ist die ringförmige Isolierstoffscheibe 4 mit einer Metallschicht 6 versehen, die in geeigneter Weise elektrische mit der Elektrode 3 verbunden ist. Dies kann z.B. in der Weise geschehen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, wo die Elektrode 6 über diejHnnere Kante des Ringes 4 hinübergezogen ist. Auf diese Weise läßt sich eine elektrische Zuleitung für die Elektrode 3 an beliebiger Stelle der Metallschicht 6 anbringen. Ein solcher Drucksensor läßt sich in einfacher Weise mittels eines Bolzens oder einer Schraube, die durch das zentrale Loch geführt sind, an einer Unterlage befestigen. inner jacket surface, which carries electrodes 2 and 3, is covered on the end faces with ring-shaped insulating material disks 4 and 5, respectively. The two disks are preferably firmly connected to the ring 1 / for example by gluing. The rings 4 and 5 are preferably made of insulating ceramic material, such as aluminum oxide. To facilitate the electrical connection for the inner electrode 3, the ring-shaped insulating material disk 4 is provided with a metal layer 6 which is electrically connected to the electrode 3 in a suitable manner. This can be done, for example, as shown in FIG. 2, where the electrode 6 is pulled over the inner edge of the ring 4. In this way, an electrical lead for the electrode 3 can be attached at any point on the metal layer 6. Such a pressure sensor can be attached to a base in a simple manner by means of a bolt or a screw which is passed through the central hole.
In vielen Fällen ist es jedoch erwünscht, daß der Drucksensor vollkommen hermetisch gegen die Umwelt abgeschlossen ist, um nachteilige Einwirkungen, beispielsweise durch öl und Benzin, auszuschließen. Ein solcher Drucksensor ist im Schnitt in Fig. 3 dargestellt. Der Ring 1 aus fer roelektrise hem Material ist an den Stirnseiten wieder mit zwei ringförmigen Isolierstoffscheiben 4 und 5 bedeckt, die jedoch sowohl an der Außenseite als auch an der Innenseite über den Ring 1 vorstehen. Die Isolierstoffscheibe 4 ist auf der Unterseite mit der- MetallschichtIn many cases, however, it is desirable that the pressure sensor be completely hermetically sealed from the environment is to avoid adverse effects, for example by oil and gasoline. Such a pressure sensor is shown in section in FIG. The ring 1 made of fer roelektrise hem material is on the front sides again with two ring-shaped insulating disks 4 and 5 covered, which, however, protrude beyond the ring 1 both on the outside and on the inside. The insulating disk 4 is on the underside with the metal layer
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6 versehen, die auf diese Weise in elektrischein Kontakt mit der Elektrode 3 des Ringes 1 kommt. Um einen Kurzschluß zwischen der inneren Elektrode 3 und der äußeren Elektrode 2 durch die Metallschicht 6 zu verhindern, ist die Elektrode 2 nicht ganz bis zur oberen Kante des Ringes 1 geführt. Der Ring 1 kann auch in üblicher Weise metallisiert sein, wonach die obere Ringkante, wie bei 9 in Fig. 3 dargestellt, teilweise abgetragen, z.B. abgeschrägt wird. Durch das Abtragen wird eine isolierende Zone zwischen der Metallschicht 6 und der äußeren Elektrode 2 geschaffen.6 which are in electrical contact in this way comes with the electrode 3 of the ring 1. To a short circuit between the inner electrode 3 and the outer To prevent electrode 2 through the metal layer 6 is the electrode 2 not all the way to the upper edge of the ring 1. The ring 1 can also be used in the usual way be metallized, after which the upper edge of the ring, as in 9 shown in Fig. 3, partially removed, e.g. beveled. The removal becomes an insulating Zone between the metal layer 6 and the external electrode 2 created.
Der Zwischenraum zwischen den überstehenden Rändern der IsoIierstoffscheiben 4 und 5 wird dann sowohl auf der inneren als auf der äußeren Seite mit einem geeigneten Isolierstoff ausgefüllt, also mit einer äußeren Isolierstoffschicht 7 und einer inneren Isolierstoffschicht Als Isoliermaterial kann z.B. ein härtbares Kunstharz verwendet werden. Auf diese Weise ist der Ring 1 vollkommen nach außen abgeschlossen und isoliert. Elektrische Zuleitungen 10 und 11 können vor dem Aufbringen des Isoliermaterials 7 angebracht werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.The space between the protruding edges of the Insulating material disks 4 and 5 are then placed on both the inner than on the outer side with a suitable one Filled with insulating material, i.e. with an outer layer of insulating material 7 and an inner layer of insulating material A hardenable synthetic resin, for example, can be used as the insulating material be used. In this way, the ring 1 is completely closed and isolated from the outside. Electric Leads 10 and 11 can before the application of the insulating material 7, as shown in FIG.
Ein solches Element läßt sich sehr einfach montieren. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird der piezoelektrische Drucksensor, beispielsweise nach Fig. 3, in der Weise auf einem Zylinderkopf 12 eines Motors befestigt, daß er mittels einer hindurchgesteckten Schraube 13 undSuch an element is very easy to assemble. As is apparent from Fig. 4, the piezoelectric Pressure sensor, for example according to FIG. 3, in the manner mounted on a cylinder head 12 of an engine that it is by means of a screw 13 and inserted therethrough
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einer zwischengelegten UnterLegscheibe 14 an den ZyLinderbLock
12 angeschraubt wird, über die Zuleitungen 10 und 11
Lassen sich dann dem Druck entsprechende SignaLe abnehmen,,
die z.B. ein KLopfen des Motors anzeigen. Durch die radiaLe Polarisation des Ringes 1 bleiben die piezoelektrischen
Eigenschaften des Ringes 1 auch bei sehr hohen
Drucken erhalten.An interposed washer 14 is screwed to the ZyLinderbLock 12, via the supply lines 10 and 11 signals corresponding to the pressure can then be picked up, which, for example, indicate a knocking of the engine. Due to the radial polarization of the ring 1, the piezoelectric properties of the ring 1 remain very high
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StuttgartSTANDARD ELECTRICS LORENZ
Aktiengesellschaft
Stuttgart
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