DE3423321A1

DE3423321A1 - Piezo-elektrischer sensor und verfahren zum herstellen eines derartigen sensors

Info

Publication number: DE3423321A1
Application number: DE19843423321
Authority: DE
Inventors: Gilles Montesson Bailleul; Patrick Le Chesnay Coville
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1983-07-01
Filing date: 1984-06-23
Publication date: 1985-01-31
Also published as: FR2548457A1; GB2144906A; GB8416262D0

Description

Piezo-elektrischer Sensor und Verfahren zum Herstellen eines derartigen Sensors

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezo-elektri schen Sensor mit zwei metallischen Elektroden, die elektrisch gegenübereinander isoliert sind durch ein Material das ein piezo-elektrisches keramisches Pulver enthält und r mit Mitteln zum Verbinden der genannten Elektroden mit einer Anordnung zur Messung elektrischer Spannungen.

Nach der Erfindung hergestellte Sensoren werden bei der Detektion von Schwingungen und Druckänderungen in einem Temperaturbereich zwischen -80⁰C und +120⁰C verwendet.

Das Herstellen piezo-elektrischer Sensoren vom Typ "VIBRACOAX" _f hergestellt von der Anmelderin, und bestehend aus einer zylinderförmigen Hülle aus Kupfer und einer axialen Elektrode, die ebenfalls aus Kupfer besteht, die durch ein piezo-elektrische-s. keramisches Pulver gegenübereinander isoliert sind, ist bekannt. Jede elastische oder plastische Verformung der Aussenhülle führt zu Spannungen auf das piezo-elektrische Pulver durch die Erzeugung elektrischer Ladungen und folglich durch das Erscheinen eines Potentialunterschiedes zwischen der Hülle und der axialen Elektrode.

Aber die Empfindlichkeit eines derartigen Sensors nimmt unwiederherstellbar ab, wenn der Sensor Temperaturen über 100⁰C ausgesetzt wird und zwar durch die Depolarisierung der piezo-elektrischen Körner.

Es ist ebenfalls bekannt, Sensoren herzustellen mit anderen piezo-elektrischen Materialien, beispielsweise mit gesinterten Keramiken oder beispielsweise mit Platten aus Polymeren gefüllt mit piezo-elektrischem Pulver von der· in der japanischen Patentschrift Nr. 66912 D/37 beschriebenen Art

Diese Erzeugnisse haben jedoch eine feste Form und die Anpassung an einen Gebrauch anders als der, für den sie ursprünglich bestimmt sind, stellt ihre ganze

Konzeption in Frage.

Jede neue Herstellung eines festen piezo-elektrischen keramischen Sensors, bestimmt für einen neuen Anwendungsbereich setzt die Verwendung von Mitteln voraus, nicht nur für die Herstellung der metallischen Elektroden des Sensors sondern auch für die Keramik, die die Herstellungskosten steigern.

Weiterhin haben Versuche gezeigt, dass die Verwendung polymerer Platten, gefüllt.mit piezo-elektrischem Pulver, wie beschrieben in der genannten japanischen Patentschrift Nr. 66912 D/37 nur ein enttäuschendes Resultat ergab durch die Tatsache, dass die in dem piezo-elektrischen Material hervorgerufenen Spannungen von dem synthetischen Träger, der zu plastisch ist, völlig absorbiert werden und nicht zu dem darin vorhandenen piezo-elektrischen Pulver übertragen werden. Zum Schluss würde sogar', wenn man eine Lösung finden würde um ύχ·ά durch derartige Platten gegebenen Resultate zu verbessern, letztere nur einen beschränkten Gebrauchsbereich, haben, der nicht an jede Form des Sensors angepasst werden könnte.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, die genannten Nachteile zu verringern und einen piezo-elektrischen Sensor vorzuschlagen, wie dieser eingangs beschriebetn viurde, der das Kennzeichen aufweist, dass das genannte Material aus • 25 einem Kunstharz besteht, worin das.. piezo-elektrische keramische Pulver dispergiert ist und dass das Material in nur einer Hauptrichtung elektrisch polarisiert ist.

Die vorliegende Erfindung weist die folgenden bevorzugten Ausführungsformen auf:

Das piezo-elektrische Pulver ist Titanbleizirkonat das bei einer hohen Temperatur gesintert ist;

das piezo-elektrische Material besteht zu 1O^ aus Harz und zu 90?ά aus piezo-e Lektrischem Pulver,; die Elektroden sind hergestellt aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe von Kupfer, Nickel und Aluminium; das Harz ist ein thermohärtendes Harz vom Epoxyd-

typ;

das Harz ist ein thermoplastisches Harz vom Poly-

karbonattyp.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Herstellen eines piezo-elektrischen Sensors das das Kennzeichen aufweist, dass die Endform des festen piezoelektrischen Materials durch Spritzgiessen erhalten wird.

Eine bevorzxxgte Ausführungsform wobei ein Sensor

erhalten wird, von dem das piezo-elektrische Material ein thermohärtendes Harz enthält, trägt das Kennzeichen, dass das piezo-eLektrische Material bei Umgebungstemperatur in eine Form gebracht wird und dann auf eine geeignete Temperatur gebracht wird, um das Aushärten des Harzes herbeizuführen, wobei die Curie-Temperatur des piezo-elektrischen Pulvers nicht überschritten wird, während gleichzeitig ein elektrisches G-leichstromfeld zugeführt wird um das piezoelektrische Material linear zu polarisieren.

Eine andere Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens, wobei ein Sensor erhalten wird von dem das piezo-elektrische Material ein thermoplastisches Harz enthält, ist dadurch gekennzeichnet, dass das piezo-elektrische Material in eine Spritzgussform gegeben wird, bei einer Temperatur, die dazu geeignet ist, das Schmelzen des Harzes herbeizuführen, wobei die Curie-Temperatur des piezo-elektrischen Pulvers nicht überschritten wird, während gleichzeitig ein elektrisches Gleichstromfeld zugeführt wird um das piezo-elektrische Material linear zu polarisieren und das Material danach abgekühlt und dabei fest wird (erstarrt).

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode wenigstens einen Teil der Form bildet zum Empfangen des piezoelektrischen Materials, wenn dieses in dem viskosen Zustand ist, dass die etwaigen anderen Teile der genannten Form durch zusätzliche Teile aus einem Isoliermaterial hergestellt werden und dass sie gegebenenfalls nach dem Aushärten de« piezo-elektrischen Materials entfernt werden können, und dass die zweite Elektrode vor dem Aushärten in das piezo-elektrische Material getaucht wird, wobei ein Teil erreichbar bleibt für Verbindungsmittel der Anordnung zum Messen der elektrischen Spannung.

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In einer noch ander*eti Ausführungsform weist das Verfahren das Kennzeichen auf, dass jede der zwei Elektroden einen Teil der Form bildet, bestimme zum Empfangen des piezo-elektrischen Materials, Kenn letzteres im viskosen Zustand ist, wobei die anderen Teile der genannten Form durch zusätzliche Teile aus einem Isoliermaterial hergestellt werden, das gegebenenfalls nach dem Aushärten des piezo-elektrischen Materials entferne werden kann.

Spezielle Ausfüiirungsformen des genannten Verfahrens sind die folgenden: -

Ein Herstellungsverfallren in dem die erste Elektrode

{*~~* die Wände einer Spritzguss form in Form eines rechteckigen Parallelopipeds bildet, von der die obere Fläche fortgelassen ist, so dass, das piezo-elektrische Material darin eingeführt worden kann und die zweite flache Elektrode parallel zu zwei der Seitenflächen des genannten Parallelopipeds liegt.

Dieses Verfahren ist geeignet zum Herstellen eines flachen Sensors.

Ein Herstellungsverfahren, in dem die erste Elektrode die Seitenwände einer zylinderförmigen Spritzgussform bildet, von der eine der Bases durch eine Isolierplatte gebildet ist und die zweite Basis fortgelassen ist, so. dass das piezo-elektrische Material eingeführt werden kann und ■ ^x 25 die zweite ähnliche zylinder!"örmige Elektrode sich parallel zu der Achse der Form erstreckt.

Dieses Verfahren ist geeignet zum Herstellen eines zylinderförmigen Sensors, dessen zweite Elektrode ein Stab oder ein Rohr ist.

Ein Herstellungsverfahren in dem die zwei Elektroden zwei parallele Wände einer Spritzgussform in Form eines rechteckigen Parallelopipeds bilden.

Bei der Herstellung der Sensoren nach der Erfindung ist jede Form, die angepasst ist an die äusserst verschledenen Anwendungen möglich ohne Bearbeitung anders als die der metallischen Teile tier Elektroden. Die Hers cellurigskos ter sind also klein. Andererseits wird die Empfindlichkeit" derartiger Sensoren in dem Tcraperaturboreich. über 8ü°C ver-

- β-

bessert. Insbesondere ist die Verringerung der Empfindlichkeit des Sensors über 8O⁰C völlig umkehrbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beg schrieben. Es zeigen

Fig. 1a und Ib einen Längsschnitt bzw. eine 'Untenansicht eines nach der Erfindung hergestellten flachen Sensors,

Fig. 2a und 2b einen Längsschnitt bzw. eine Untenansieht eines nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung hergestellten flachen Sensors,

Fig. 3a und 3b einen Längsschnitt bzw. eine Untenansicht eines nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung hergestellten flachen Sensors, Fig. ka und hb einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt durch einen zylinderförmigen Sensor nach der Erfindung,

Fig. 5 einen derartigen zylinderförmigen Sensor, der um ein Rohrsystem angeordnet werden kann, Fig. 6 eine Darstellung der Polarisierungsrichtungen der Körner des piezo-elek trischen Pulvers in einem Material nach der Erfindung vor der Wärmebehandlung in einem elektrischen Gleichstromfeld und

Fig. 6a eine Darstellung der Polarisierungsrichtungen desselben piezo-elektrischen Pulvers nach der genannten Behandlung,

Fig. 7 den Signalgang des flachen Sensors nach der Erfindung in bezug auf einen konstanten Stossdruck als Funktion der Temperatur für ein bestimmtes piezo-elektrisches Material.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, enthält ein flacher Sensor, wie dieser als nicht beschränkendes Beispiel beschrieben wird, eine erste Elektrode 1, die aus Kupfer bestehen kann und die als Form für das piezo-elektrische Material 2 dient. Die zweite Elektrode 3 ist in das Material 2 eingebettet und ist folglich gegenüber der ersten Elektrode I isoliert.

Um die Funktion der Form für das piezo-elektrische^Λ

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Material zu gewährleisten, lean« dif. erste Elektrpde des flachen Sensors mehrere Formen^ habt<|n. In dem ;in Fig. 1 dargestellten Sensor ist die erste Elektrode;T in Form eines rechteckigen Parallelopipeds ohne obere Fläphe.

Die obere Fläche dient,"'zum Füllen in it. piezo-elektrischem Material Z und zum Einführen 4er zweiten Elektrode 3· Diese letztere hat Abmessungen, die auf geeignete. Weise gewählt sind damit der zwischen defl zwei Elektroden übrig gebliebene Raum, der mit elektrisch isolierendem piezo- :

elektrischem Material gefüllt ist_r-; gross genug· ist um eine» elektrischen Überschlag zwischen denselben zu Yermeiden. Ein ansteigender Teil k des pieÄiöi-elek&rischen Materials zum Spritzgiessen der Elektrode 3 wird ebenfalls bevorzugt' um Überschläge zu vermeiden, da·der .genannte ansteigende Teil den Abstand in dex" Luft zwischen den zwiei Elektroden vergrössert. In dem in Fig. 2 _;därpstellten Sensor hat,die erste Elektrode 1 die Form eines .^echteekige$[ Parallelopipeds ohne obere Fläche und ohne(kleine Seitenflächen. Die kleinen Seitenflächen werden di&durch verwirklicht _r dass Seitenplatten 5 aus einem isolierenden 'Material, beispielsweise Kunststoff oder Teflon, festgeklebt bzw.- festge- * schraubt werden, welche Platten n^eh dem Ausliärten des Harzes gegebenenfalls !entfernt werden können.* Das piezo« elektrische Material 2 isoliert die Elektroden 1 - und 3 gegenüber einander. Da die Seit.eoplatten 5 elektrisch isolierend sind kann die Elektx-ode 3 .dieselbe lUänge haben wie die Elektrode 1. ^! ■·","-

Der in Fig. 3 dargestellte flache Sensor hat ebenfalls die Form eines rechteckigen Parallelpp;ip_;eds. Die Elektroden 1 und 3 sind entsprechend jeder eier grossen Seitenflächen des Parallelopipeds aii ge ordnet. Se&tenplatten aus Isoliermaterial werden zu der unteren FläcHef6 und zu den kleinen Seitenflächen 5 festge^clebt oder festgeschraubt um die Dichtigkeit beim Sprit'zgie&sen 5su gewährleisten.

^ Die genannten Seitenplatten könnten ebenfalls nach dem Ausharren des Harzes gewünschten!'alls entfernt werden.

In allen flachen Sensoren von jedem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Typ sind die Abmessungen und die

Materialien, die den Sensor bestimmen, an das zu detektierende Phänomen angepasst. *

Der Anwendungsbereich kann der von Passierdetektoren sein. In diesem Fall wird der Sensor in Durchgängen für Fussgänger, Fahrzeuge oder Flugzeuge angeordnet. Der Sensor kann zum Detektieren von Eindringlingen, zum Zählen von Fahrzeugen beim Eingang oder beim Ausgang von Toren benutzt werden.

Ein derartiger Sensor bietet gewisse Vorteile gegenüber den herkömmlichen Sensoren, die für die oben genannten Zwecke eingesetzt werden (Luftreifen, mechanische Pedale). Die Sensoren nach der Erfindung können im wesentlichen unsichtbar und nicht detektierbar gemacht werden, weil sie passive Sensoren sind, hergestellt aus einem nichtmagnetischen Material. Weiterhin sagt ihre Konstitution eine wesentliche Lebenserwartung im Vergleich zu den herkömmlichen Sensoren voraus.

Der Anwendungsbereich der flachen Sensoren ist ebenfalls die Lagendetektion. Der in einer geeigneten Umgebung zwischen zwei beweglichen Teilen angeordnete Sensor lief ei· c ein Signal, wenn die zwei Teile sich berühren. Aus diesem Grunde können die Sensoren verwendet werden zum Detektieren ob Türen geschlossen sind (SNCF oder RATP-Fahrzeuge) oder zum Detektieren ob Formen zum Spritzgiessen oder Stanzen geschlossen sind. Das ausgestrahlte Signal kann ebenfalls den Schliessdruck angeben.

In dem zylinderförmigen Sensor nach Fig. h sind die zwei Elektroden 1 und 3 zylinderförmig, hohl und koaxial. Eine der· Bases des Zylinders ist beim Füllen mit piezoelektrischem Material 2 durch eine isolierende Seitenplatte abgeschlossen. Die andere Basis des Zylinders kann gegebenenfalls nach dein Füllen durch eine zweite Isolierplatte 5 abgeschlossen werden um die Dichtigkeit des Gefüges beim Aushärten des Harzes zu gewährleisten, entsprechend der Lage, die der Sensor in bezug auf dass elektrische Gleichstrornfeld, dem er ausgesetzt ist, einnehmen soll. Die genannten Placten "> können nach dem Aushärten des Harzes entfernt wurden.

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83 550 P^ 3A23321 ^ιΛ·^ό·

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Die zylinderförmigen Sensoren aus Fig. 4 arbeiten

im wesentlichen als Druckänderungssensoren. Die zentrale Elektrode 3 ist hohl ausgebildet um die Flüssigkeit zu enthalten, deren Druck gernessen werden muss. Die genannte Elektrode 3 ist mit dem Rohrsystem, in dem die genannte Flüssigkeit umläuft, mittels zweier genormter Verbindungen verbunden, die je an den Enden befestigt sind oder durch andere geeignete Mittel. Jede Änderung des Flüssigkeitsdrucks wird dem piezo-elektrischen Material mitgeteilt und folglich wird ein Signal erzeugt, das zwischen der zentralen Elektrode 3 (die, beispielsweise, elektrisch mit Masse verbunden sein kann) und der Randelektrode erfasst wird.

Die Abmessungen und die Eigenschaften der Materialien der genannten zylinderförmigen Sensoren sind entsprechend den zu untersuchenden Drücken und Flüssigkeiten gewählt worden. Insbesondere können die Elektroden aus jedem elektrisch leitenden Material, das mit der inneren Flüssigkeit kompatibel ist, hergestellt werden.

In dem Fall, dass es nicht möglich ist, den Sensor unmittelbar mit dem Rohr zu verbinden kann letzteres durch zwei Teile gemacht werden, die bestimmt sind mit dem genannten Rohrsystem verbunden zu werden. Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen derartigen Sensor, der bei 12 offen ist und der mit einem Rohr 11 verbunden ist, Der Anwendungsbereich der. zylinderf örmigen Sensoren nach der Erfindung erstreckt sich vom Messen der Druekänderungen an dem Ausgang von Injektionspumpen für Explosionsmotoren oder Verbrennungsmotoren, bis zum Messen der Drehgeschwindigkeit und die Regelung der Drehung der Pumpe.

Im genannten Anwendungsbereich liegt ebenfalls das Messen von Druckänderungen bei hydraulischen oder pneumatischen Servosystemen mit der Regelung der Greif— oder Positionierbewegungen von Robots. Zum Schluss betrifft es das Detektieren von Schwingungen von Rohrsystemen.

Fig. Oa zeigt die Makrostruktur des piezo—elektrischen Pulvers vor der thermischen Behandlung in einem ^! elektrischen Gleichstromfeld. Aus elektrischem Gesichtspunkt kann die piezo-elektrische.Keramik, für die es erlaubt ist,

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das Pulver durch. Zermahlen zu erhalten, betrachtet werden als zusammengestellt aus elementaren Dipolen. Die genannten elementaren Dipole bestehen aus zwei Ladungen, die eine positiv und die andere negativ, getrennt durch einen geringen Abstand, wie in Fig. öa dargestellt. Jeder Keramikkorn kann mehrere der genannten Dipole enthalten. Während dex' Herstellung der Keramik zeigen die genannten Dipole keine bevorzugte Richtxang und zwar derart, dass sie auf beliebige Weise in jedem Pulverkorn orientiert sind, in ^g dem Pulver selbst und in dem Pulver-Harzgemisch. Wenn eine Ivraft auf das auf diese Weise hergestellte Material ausgeübt wird, ist die Summe der Verschiebungen der Ladungen Null in der Art, dass unter den genannten Verhältnissen kein piezo-eLektrischer Effekt auftritt.

Um einen piezo-elektrischen Effekt in dem Material zu erhalten, müssen die Dipole zunächst gerichtet werden, wozu das piezo-elektrische Material einem starken äusseren elektrischen Gleiehstromfeld bei einer Temperatur ausgesetzt wird, die derart hoch ist, dass das Harz diese Temperatur bestehen kann, welche Temperatur jedoch niedriger ist als der Curie-Punkt der Keramik. Bei der genannten Temperatur verschwinden die spontan gebildeten Dipole und es werden neue Dipole gebildet, die parallel zu der Richtung des elektrischen Feldes H, wie in Fig. 6b dargestellt, ausgerichtet werden, gleichzeitig mit einer Verlängerung der Keramik, die in derselben Richtung auftritt. In Wirklichkeit haben die Dipole niemals die ideale Orientierung, wie dargestellt in Fig. 6b, da die Struktur der Keramik nur bestimmte Drehungen der Dipole ermöglicht und die Ternpex^atur, die im Falle des Kunstharzträgers angewandt wird, von der Curie-Temperatur der Keramik entfernt bleibt.

Wenn die Aktion des äusseren elektrischen Feldes abnimmt, und das Material abgekühlt ist, können die Dipole nicht leicht in ihre ursprüngliche Lage zurückkehren und es wird remanente Polarisierung der Keramik erhalten.

Letztere liefert einen dauerpiezo-elektrischcn Effekt und kann die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln und umgekehrt und zwar derart dass beispielsweise

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die elektrische Energie, die erzeugt und zwischen den
Elektroden verfügbar wird, dem ausgeübten Druck proportional ist. " ■ . . "

Aber durch ein piezo-elektrisches Material erzeugte elektrische Energie ist einerseits von dem elektrischen
Feld, dem das Material ausgesetzt ist um die remanente
Polarisierung zu erhalten und andererseits von der Temperatur, der das Material im Betrieb ausgesetzt ist und zum Schluss von der Elastizität des Materials abhängig. Unter den genannten Bedingungen ist es notwendig bevor die obenstehend beschriebenen Sensoren verwendet werden, eine
Normierung festzulegen. Γ Zu diesem Zweck wird der Sensor den Stössen eines Charpy-Tests ausgesetzt und die induzierten Ladungen für jeden Stoss einer bekannten Intensität werden notiert um eine..Normkurve zu gestalten, die gleichzeitig den Bereich der Wirksamkeit des Sensors definiert.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des piezoelektrischen Materials wird letzteres durch ein keramisches Pulver aus Titanzirkonat oder Blei gebildet, wobei .der

Curie-Punkt in der GrossenOrdnung von 285⁰C liegt und besteht entweder aus einem thermohärtenden Harz vom Epoxydtyp oder aus einem thermoschme-lzenden Harz vom Polykarbonattyp.

Wenn das Harz vom thermohärtenden Typ ist wird vor dem Einführen des piezo-elektrisclaen Materials in die Form bei Raumtemperatur das auf diese Weise gebildete Gefüge
gleichzeitig mit einer Polarisierungsbearbeitung auf eine Temperatur zwischen TOO⁰ und 250° gebracht, die ausreicht um das Aushärten des Harzes zu erhalten und niedriger ist als der Curie-Punkt des pieao-elektriscjaen Pulvers. Andererseits wird das Material .einem elektrischen Feld mit einem Wert höher als 1 kVolt/mm und niedriger als das elektrische Entladungsfeld ausgesetzt. Im allgemeinen sind die Temperatur und das elektrische Feld, da;s benutzt wird um die

Polarisierung zu erhalten als Funktion der Form, der Ab-; messungen des Sensors und des piezö-elektrischen Materials gewählt.

Wenn das Harz von thermoschmelzendem Typ ist, wird

PHF 83 5

das piezo-elektriöche Material dagegen warm in die Form gespritzt bei einer Temperatur ebenfalls zwischen 200 und 2jO³C, wobei die Polarisierungsbearbeitung ebenfalls bei der genannten Temperatur durchgeführt wird. Danach wird - der auf diese Weise gebildete piezo-elektrische Sensor bei Umgebungstemperatur abgekühlt, wobei während dieser Abkühlung das Aushärten des Harzes erfolgt.

Die piezo-elektrischen Eigenschaften verschwinden und die Empfindlichkeit eines Sensors nimmt ab, wenn dieser «q einer- Temperatur in der Nähe der Temperatur, der das Material ausgesetzt wurde um die remanente Polarisierung zu erhalten ausgesetzt wird. Im Falle von Sensoren, herge- s stellt nach der Erfindung ist die genannte Depolarisierung

einwandfrei umkehrbar und der Sensor enthält wieder die ^u ursprüngliche Empfindlichkeit wenn die Temperatur abnimmt. Für einen flachen Sensor nach der Erfindung ist die Responskurve als Funktion· der Temperatur bei einem konstanten Stossdruck von 32 g in einem Charpy-Test dargestellt in Fig.7. Die genannte als Beispiel gegebene Kurve gilt nur wenn der 2Q Sensor aus gut definierten Materialien hergestellt ist (Kupferelektroden, piezo-elektrisches Material mit dem oben genannten Pulver und dem Epoxydharz). Für andere Mate~ rialien würde die Form der Kurve abweichen. Die Empfindlichkeit eines derartigen Sensors wird bei Temperaturen über 60°G abnehmen. Aber der Sensor bleibt wirksam bis zu etwa -' 120⁰C.

Die bevorzugten Verhältnisse um das piezo-elektrische Material zu erhalten sind 10$ Harz zu 90$ piezo-elektrischem Pulver. Mit derartigen Verhältnissen wird im 3Q wesentlichen die Depolarisierung des Pulvers vermieden, ohne dass die Kunststoffeigenschaften des Harzes die Übertragung der· Verformungen vermeiden.

Aber die Effekte der überlagerten Polarisierung nahmen mit der Zeit nur wenig ab. Es dürfte einleuchten, dass für Sensoren, die mit dem obengenannten Pulver hergestellt worden sind, die Empfindlichkeitsverluste in der Grössenordnung von 10$ nach 10"* Tagen (etwa 300 Jahren) bei normalem Gebrauch sind.

PHF 8'3

Diese Resultate betrachtet bei der Tatsache, dass die Elektroden der Sensoren aus Metallen wie Kupfer, Nickel oder Aluminium hergestellt werden können, versprechen eine grosse Festigkeit und ein langes Leben für die genannten Sensoren, wodurch ihre" Verwendungsmöglichkeiten' für die durchzuführenden Messungen an Stellen, die schwer erreichbar sind, nützlich ist.

Zum Schluss dürfte es einleuchten, dass die Anwendung der Erfindung sich nicht auf die obengenannten Bereiche beschränkt und dass im Rahmen der Erfindung mehrere abgeänderte Ausführungsformen möglich sind.

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Claims

PHF 83 55t PATENTANSPRÜCHE

1.) Piezo-elektriseher Sensor mit zwei metallischen Elektroden, die elektrisch gegenübereinander isoliert sind durch ein Material das ein piezo-ejLektrisches keramisches Pulver enthält; und mit Mitteln zum. Verbinden der genannten Elektroden mit einer Anordnung zum Messen elektrischer Spannungen, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Material aus einem Kunstharz besteht, in dem das piezo-elektrische keramische Pulver dispergiert und in einer Hauptrichtung elektrisch polarisiert ist.

2. Piezo-elektrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezo-elektrische Pulver ein Titan bleizirkonat ist, das bei hoher\^Temperatur gesintert ist.

3. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das piezo-elektrische Material aus 10°ö Harz und 90/ά piezo-elektrischem Pulver besteht.

k. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus einem Metall, gewählt aus Kupfer, Nickel und Aluminium, hergestellt sind, 5· Piezo-elektrischer Sensor nach einem der Ansprüche λ"
1 bis h, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz ein

thermohärtendes Harz vom Epoxydtyp ist.

6. Piezo-elektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz ein thermoplastisches Harz vom Polykarbonattyp ist.

7· Verfahren zum Herstellen eines piezo-elektrischen Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endform des festen piezo-elektrischen Materials durch Spritzgiessen erhalten wird. 8. Verfahren nach Anspruch γ für die Herstellung eines Sensors der ein piezo-elektrisches Material mit einem thermohärtenden Harz enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das |Η'ί/&--ί*Ιί4ϊίFisfUe Mstefi-ii-i iff 4?-^ WgFm &$.&£&Führt wird und zwar bei Umgebungstemperatur und dann auf eine

geeignete Temperatur gebracht wird um das Aushärten des Harzes herbeizuführen, wobei die Curie-Temperatur des piezoelektrischen Pulvers nicht überschritten wird, -während gleichzeitig ein elektrisches Gleichstromfeld derart angebracht wird, dass das piezo-elektrische Material linear polarisiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 für die Herstellung eines Sensors wobei das piezo-elektrische Material ein thermoplastisches Harz enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das piezo-elektrische Material in die Form eingespritzt wird und zwar bei einer Temperatur, die dazu geeignet ist, das Harz zum Schmelzen zu bringen, wobei die Curie-Temperatur des piezo-elektrischen Pulvers nicht überschritten wird, während gleichzeitig ein elektrisches Gleich stromfeld derart angebracht wird, dass das piezo-elektrische Material linear polarisier t wird und dann zum Aushärten des Harzes abgekühlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode wenigstens einen Teil der Form für das piezo-elektrische Material bildet, wenn dieses Material im viskosen Zustand ist, dass die etwaigen anderen Teile der genannten Form durch zusätzliche Teile aus einem Isoliermaterial hergestellt werden und dass sie gegebenenfalls nach dem Aushärten des piezo-elektrischen Materials entfernt werden können und dass die zweite Elektrode in das piezo-elektrische Material eingebettet ist vor dem Härten, während ein Teil für die Verbindungsmittel der Anordnung zum Messen der elektrischen Spannung zugänglich bleibt.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der zwei Elektroden einen Teil der Form für das piezo-elektrische Material bildet, wenn dieses Material sich im viskosen Zustand befindet, wobei die anderen Teile der genannten Form durch zusätzliche Teile aus einem Isoliermaterial gebildet werden, das gegebenenfalls nach dem Aushärten des piezo-elektrischen Materials entfernt werden kann.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

PHF 8'3 5 ξ

dass die erste Elektrode die Wände einer Form in Form eines rechteckigen Parallelopipeds bildet, dessen obere Fläche fortgelassen ist, so dass das piezo-elektrische Material und die zweite flache Elektrode, die sich parallel zu zwei der lateralen Flächen des genannten Parailelopipeds erstreckt, dort eingeführt werden können.

13· Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektx-ode die lateralen Wände einer zylinderförmigen Form bilden, wobei eine der Bases durch eine Isolierplatte gebildet ist und die zweite Basis fortgelassen ist, um das piezo-elektrische Material und die zweite Elektrode, die ebenfalls zylinderförmig ist und sich parallel zu der Achse der Form erstreckt, einführen zu können.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Elektroden zwei parallele Wände einer Form in Form eines rechteckigen Parailelopipeds bilden.