EP1848973A1 - Piezoelektrischer sensor mit thermosensor und verstärkerschaltung - Google Patents

Piezoelektrischer sensor mit thermosensor und verstärkerschaltung

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EP1848973A1
EP1848973A1 EP06706942A EP06706942A EP1848973A1 EP 1848973 A1 EP1848973 A1 EP 1848973A1 EP 06706942 A EP06706942 A EP 06706942A EP 06706942 A EP06706942 A EP 06706942A EP 1848973 A1 EP1848973 A1 EP 1848973A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezoelectric
piezoelectric sensor
sensor
sensor according
amplifier circuit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06706942A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Brunner
Dieter Sporn
Gerhard Domann
Peter Spies
Frank FÖRSTER
Javier Gutierrez Boronat
Ruth Houbertz-Krauss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1848973A1 publication Critical patent/EP1848973A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
    • G01D3/036—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves
    • G01D3/0365—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves the undesired influence being measured using a separate sensor, which produces an influence related signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric sensor, which consists of a piezoelectric transducer, an amplifier circuit and at least one connection for external power or signal lines, wherein these elements are integrated on or in a support structure.
  • the sensor allows a measurement under different temperature conditions.
  • the piezoelectric sensor according to the invention is used for vibration, acceleration or deflection measurement, in particular in mechanical engineering, in aerospace or in the automotive industry.
  • Piezoelectric sensors are used in the field of vibration measurement, acceleration detection and measurement of the smallest deflections in mechanical engineering, aerospace and in the automotive industry used for many years.
  • piezoelectric materials it is possible to use the conversion of mechanical deformations into an electrical charge (direct piezoelectric effect) and, conversely, the expansion of the piezoelectric material when an electric field is applied.
  • PZT PbZrTiO 3
  • the piezoelectric transducers consist of electrodable and contactable materials, eg. B. made of quartz, aluminum nitride (ALN), PbZrTiO 3 (PZT), ceramics or a piezoelectric polymer, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), in different geometrical size and shape. So they can as ceramic discs, as thin films as layers on a variety of metallic, semiconducting or insulating substrates, as fibers, for. B. embedded in a resin matrix, as a tube or
  • the piezoelectric elements can cover a very wide frequency spectrum from virtually static processes up to several MHz, both sensory and actuatory. Thus, the sensory use of piezoelectric materials as ultrasonic transducers for medical or material investigation purposes is widespread.
  • the piezoelectric transducers in combination with a corresponding electronic amplifier circuit as acceleration sensors, z. B. as impact sensors in motor vehicles. puts .
  • Piezoelectric transducers for measuring strain, pressure, force or acceleration from different materials are in different
  • Charge amplifiers as charge, current, voltage converters, usually as operational amplifier circuits, can be used as modular solutions in the field of metering devices, for example in the field of instrumentation.
  • a measuring range switchover can take place via a change in capacitance in the electronic circuit or by connection or disconnection of individual transducers.
  • the electronic amplifier circuits or converters may also be temperature-compensated, whereby a change in the amplification behavior is avoided depending on the temperature of the amplifier circuit.
  • a piezoelectric sensor which has a support structure, at least one piezoelectric transducer, an amplifier circuit and at least one connection for external power and / or signal lines.
  • a particular feature of the sensor according to the invention is that a thermal sensor is simultaneously contained and "the amplifier circuit contains a temperature compensation.” This makes it possible for variable temperature conditions in the environment to be taken into account with the amplifier circuit.
  • the integration of all previously described components of the piezoelectric sensor on a carrier offers the great advantage of providing a measuring system with high mechanical flexibility, smallest size and minimum cost.
  • the cost-effective production here is due in particular to the amplifier circuit that can be produced in semiconductor technology.
  • the temperature compensation of the charge signal from the piezoelectric transducer renders the system insensitive to temperature fluctuations during the measurement.
  • the miniaturized structure and optionally the mechanical flexibility allow the integration of the sensor into composite components or the application of the sensor on any Messobj ekten, without greatly affecting their mechanical nature or shape.
  • the arrangement of the described components of the sensor, d. H. of the transducer, the amplifier circuit, the terminal, the sensor line and the temperature sensor is arbitrary insofar as the requirements for miniaturization of the sensor are met.
  • an amplifier circuit is an operational amplifier circuit as part of the sensor. This is based on semiconductor circuits which can be produced by means of semiconductor technologies.
  • the amplifier circuit has an additional adaptation and driver stage, which makes it possible to use even long current and / or signal lines of various designs and with different most electrical characteristics, z. B. in terms of capacitance or impedance, to be able to connect to the sensor.
  • the amplifier circuit preferably consists of several individual amplifier stages.
  • Capacitance multiplier consisting of a further operational amplifier and a comparatively small circuit that can still be integrated, the stage behaves like a capacitor whose nominal value can be up to a factor of 100 greater than the output capacitance.
  • all materials that allow a miniaturization of the sensor are suitable as carrier structure.
  • Particularly preferred are materials as a support structure, which allow a simple and inexpensive production.
  • As preferred materials are here z. B. Plastic, metal, semiconductors or ceramics.
  • the at least one transducer consists of a piezoelectric material. It preferably consists of quartz, ZnO, AlN, PbZrTiO 3 (PZT) or of a piezoelectric polymer, in particular polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the sensor can consist of one layer (unimorph) of two
  • a transducer in the form of a disk, as a thin film, as a as a tube or as a stick.
  • the piezoelectric transducers are preferably connected in the shortest distance to the amplifier circuit.
  • the transducers and the amplifier circuit are superimposed, z. B. arranged in different layers.
  • the distance can be in the range between 1 .mu.m to 10 mm.
  • Another preferred variant provides that transducer and amplifier circuit laterally, d. H . next to each other in a surface, are arranged.
  • the distance between the transducer and amplifier circuit in the range between 10 .mu.m to 100 mm. In this way, electromagnetic interference can be reduced to a minimum.
  • any piezoelectric transducers can also be connected to the amplifier circuit.
  • a further preferred variant provides that the sensor has a connection, via which an external voltage source can be connected.
  • an external voltage source can be connected.
  • the voltage source serves to change the gain of one or more amplifier stages in the amplifier circuit. In this way, a calibration or. Recalibration at any time possible. This is also true mglichglich, if the sensor according to the invention is already integrated in a measurement object or composite component.
  • the sensor according to the invention can be prepared by conventional methods of construction and connection technology and the individual components can, for. B. by gluing, die-bonding and bumping techniques, e.g. B. be applied as a flip-chip, as well as wire-bonding method.
  • thin layers for passivation can be applied to the sensor.
  • These may preferably consist of an elastomer, a thermoplastic, a thermoplastic elastomer or a duromer.
  • a "composite component” comprising the Inventions according to the piezoelectric sensor as described above.
  • Constituents of the composite component may be metals, wood, glasses, polymers and ceramic materials quite generally.
  • Under composite material according to the present invention is therefore also, for example, a metallic component, eg in the form of tubes, to be understood, on which the sensor according to the invention by means of Adhesive connection is attached.
  • the composite component consists of a plastic or a plastic laminate.
  • plastics these include in particular carbon fiber reinforced plastics (CPK), glass fiber reinforced plastics (GRP) and aramid reinforced plastics.
  • the piezoelectric sensor according to the invention is used in the field of vibration, acceleration and / or deflection measurement.
  • Typical applications include mechanical engineering, aerospace and the automotive industry.
  • a typical example of the use of such systems is a crash sensor in automobiles.
  • Fig. 1 shows a plan view of a piezoelectric sensor according to the invention.
  • Fig. 2 shows a side view of a piezoelectric sensor according to the invention.
  • Fig. 3 shows an electronic circuit variant of the amplifier circuit.
  • Fig. 1 shows a plan view of an electrical sensor according to the invention.
  • a piezoelectric transducer 2 is integrated on the support structure 1.
  • the sensor has an amplifier circuit 3 in the form of a chip.
  • the amplifier circuit can by means of semiconductor technology in the order of z. B. about 3x3 mm 2 are produced.
  • a thermosensor 4 is additionally arranged between the measuring transducer and the amplifier circuit. In combination with the temperature compensation integrated in the amplifier circuit, measurements can be carried out even under different ambient temperature conditions.
  • the inventive sensor has a connection 5, z. B. in the form of a plug contact, can be connected to the external power and / or signal lines 6.
  • a driver stage is additionally integrated in the amplifier circuit 3.
  • conductor tracks 8 can be seen in the figure, which connect the individual components with each other.
  • FIG. 2 is a side view of the device shown in FIG. 1 illustrated inventive piezoelectric sensor.
  • the z. B. made of plastic with metal or ceramic, a piezoelectric transducer 2 is arranged on the support structure 1, the z. B. made of plastic with metal or ceramic.
  • a piezoelectric transducer 2 is arranged on the support structure 1, the z. B. made of plastic with metal or ceramic.
  • this consists of a piezo-thin film with a thickness of about 2 microns.
  • an insulating layer is additionally arranged, which has a thickness of about
  • Another component of the sensor according to the invention is an amplifier circuit in the form of a chip, which is about 0, 3 mm thick. Between the piezoelectric transducer 2 and the amplifier circuit 3, a temperature sensor is arranged, which in the present case has a thickness of 0.05 mm owns. At the other end of the support structure 1, a terminal 5 is arranged in the form of a plug-in contact, to which a sensor cable, for. B. a power or signal line, can be connected. Due to the miniaturized structure described here, very thin sensors can be produced. The variant described here has a thickness of not more than 0.5 mm.
  • Fig. 3 a variant of a circuit diagram of the amplifier circuit is shown.
  • the diagram consists of three essential elements.
  • the unit A consists of the input stage, which has a charge amplifier.
  • the maximum charge to be processed and the maximum possible output voltage determine the value of the charge capacitor via a linear relationship.
  • the time constant of R and C is very large in order to be able to evaluate very low frequencies of the charge signal without amplitude and phase errors.
  • the amplifier circuit furthermore has the unit B.
  • This is a pre-stage, which is made up of a rail-to-rail operational amplifier.
  • the nominal amplification factor is 1. Via an externally supplied voltage, the nominal value can be selected smaller (attenuation) or larger (amplification) in a narrow range.
  • the third essential part of the circuit diagram relates to the unit C, which has a further amplifier.
  • This amplifier generates the common mode voltage (Vdd-2) and thus defines the operating point of the other two stages.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor, der aus einem piezoelektrischen Messwertaufnehmer, einer Verstärkerschaltung sowie mindestens einem Anschluss für externe Strom- oder Signalleitungen besteht, wobei diese Elemente auf oder in einer Trägerstruktur integriert sind. Der Sensor ermöglicht dabei eine Messung bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen. Verwendung findet der erfindungsgemäße piezoelektrische Sensor zur Schwingungs-, Beschleunigungs- oder Auslenkungsmessung, insbesondere im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie.

Description

PIEZOELEKTRISCHER SENSOR MIT THERMOSENSOR UND VERSTÄRKERS CHALTUNG
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor, der aus einem piezoelektrischen Messwertaufnehmer, einer Verstärkerschaltung sowie mindestens einem Anschluss für externe Strom- oder Signalleitungen besteht , wobei diese Elemente auf oder in einer Trägerstruktur integriert sind . Der Sensor ermöglicht dabei eine Messung bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen . Verwendung findet der erfindungsgemäße piezoelektrische Sensor zur Schwingungs- , Beschleunigungs- oder Auslenkungsmessung, insbesondere im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie .
Piezoelektrische Sensoren werden auf dem Gebiet der Schwingungsmessung, der Beschleunigungserfassung und Messung geringster Auslenkungen im Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt und in der Automobilindustrie seit vielen Jahren eingesetzt . Bei piezoelektrischen Materialien lässt sich die Umwandlung von mechanischen Deformationen in eine elektrische Ladung (direkter piezoelektrischer Effekt) und in Umkehrung ebenso die Ausdehnung des piezoelektrischen Werkstoffes bei Anlegen eines elektrischen Feldes nutzen . Technisch am weitesten verbreitet ist die Zusammensetzung PbZrTiO3 (PZT) in unterschiedlichen Dotierungen.
Die piezoelektrischen Messwertaufnehmer bestehen aus elektrodierbaren und kontaktierbaren Materialien, z . B . aus Quarz, Aluminiumnitrid (ALN) , PbZrTiO3 (PZT) , Keramiken oder einem piezoelektrischen PoIy- mer, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) , in unterschiedlicher geometrischer Größe und Form. So können sie als Keramikscheiben, als dünne Folien als Schichten auf unterschiedlichsten metallischen, halbleitenden oder isolierenden Substraten, als Fasern, z . B . einge- bettet in eine Kunstharzmatrix, als Röhrchen oder
Stäbchen vorliegen . Je nach Einsatzfall werden flexible oder starre Messwertaufnehmer bevorzugt .
Die Piezoelemente können ein sehr weites Frequenz- Spektrum von nahezu statischen Vorgängen bis zu mehreren MHz sensorisch wie auch aktuatorisch abdecken . So ist der sensorische Einsatz von piezoelektrischen Materialien als Ultraschallwandler für medizinische oder materialuntersuchende Zwecke weit verbreitet .
Wegen der hohen Empfindlichkeit auf mechanische Deformationen und dem sehr schnellen Ansprechverhalten werden die piezoelektrischen Messwertaufnehmer in Kombination mit einer entsprechenden elektronischen Verstärkerschaltung auch als Beschleunigungssensoren, z . B . als Aufprallsensoren in Kraftfahrzeugen, einge- setzt .
Piezoelektrische Messwertaufnehmer zur Messung von Dehnung, Druck, Kraft oder Beschleunigung aus unter- schiedlichen Materialien sind in unterschiedlichen
Größen, Geometrien, z . B . Schichten, Scheiben, Fasern, Röhren, oder Bauformen bekannt (WO 90/13010) . Für die Befestigung abhängig von Messobj ektgeometrie, - material , -belastung sind beliebig realisierbare Ver- sionen des Klebens , mechanischen Klemmens oder Einarbeitens in Strukturen, z . B . aus Verbundmaterialien, bekannt (WO 99/26046) .
Ladungsverstärker als Ladungs- , Strom- , Spannungs- wandler, meist als Operationsverstärkerschaltungen, können im Messgerätebereich als modulare Lösungen eingesetzt werden, z . B . Firma Kistler oder BRUEL & Kj aer oder MMF . Eine Messbereichsumschaltung kann ü- ber eine Kapazitätsänderung in der elektronischen Schaltung erfolgen oder durch Zu- oder Abschaltung von einzelnen Messwertaufnehmern . Die elektronischen Verstärkerschaltungen oder Umsetzer können auch temperaturkompensiert sein, wodurch eine Veränderung des Verstärkungsverhaltens abhängig von der Temperatur der Verstärkerschaltung vermieden wird . Zusätzliche
Treiberschaltungen für lange Messleitungen sind ebenfalls bereits bekannt (EP 0 551 538 , US 4 , 157 , 510 , EP 0 768 533 ) . Eine Temperaturkompensation der Ladungsdrift aufgrund des pyroelektrischen Effektes wird durch Anordnung mehrerer Messwertaufnehmer hintereinander oder durch eine elektronische Hochpassschaltung realisiert (US 5 , 095 , 751 , DE 68 905 913 ) .
Eine Integration und Kombination sowohl bezüglich des Messwertaufnehmers mit dem Verstärker als auch des kompletten Sensors auf oder in das Messobj ekt ist aus dem Spezialbereich der Atomic Force Microscope (AFM) - Technik bekannt (WO 96/08701) . Eine Temperaturkompensation ist dem hier beschriebenen System j edoch nicht zu entnehmen.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem bereitzustellen, das eine größtmögliche Integration von Bauteilen ermöglicht , was zu einer miniaturisierten und sehr kostengünstigen Ausführung eines piezoelektrischen Sensors führt . Ein derartiger Sensor soll an beliebige Messobj ekte hinsichtlich Größe und Form anpassbar sein, sodass z . B . auch sehr flache Sensorelemente ermöglicht wer- den .
Diese Aufgabe wird durch den piezoelektrischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das diesen piezoelektrischen Sensor enthaltende Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst . Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf . In den Ansprüchen 15 bis 17 werden erfindungsgemäße Verwendungen des Sensors genannt .
Erfindungsgemäß wird ein piezoelektrischer Sensor bereitgestellt , der eine Trägerstruktur, mindestens einen piezoelektrischen Messwertaufnehmer, eine Verstärkerschaltung sowie mindestens einen Anschluss für externe Strom- und/oder Signalleitungen aufweist .
Besonderes Merkmal des erfindungsgemäßen Sensors ist , dass gleichzeitig ein Thermosensor enthalten ist und" die Verstärkerschaltung eine Temperaturkompensation enthält . Hierdurch wird es ermöglicht , dass mit der Verstärkerschaltung variable Temperaturbedingungen in der Umgebung berücksichtigt werden können. Die Integration aller zuvor beschriebenen Komponenten des piezoelektrischen Sensors auf einem Träger bietet den großen Vorteil , ein Messsystem mit hoher mechani- scher Flexibilität , geringster Baugröße und minimaler Kosten bereitzustellen. Die kostengünstige Fertigung ist hierbei insbesondere auf die Verstärkerschaltung zurückzuführen, die in Halbleitertechnologie herstellbar ist . Die Temperaturkompensation des vom pie- zoelektrischen Messwertaufnehmers stammenden Ladungs- signals macht das System unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen während der Messung .
Der miniaturisierte Aufbau und gegebenenfalls die me- chanische Flexibilität ermöglichen die Integration des Sensors in Verbundbauteile oder das Aufbringen des Sensors auf beliebigen Messobj ekten, ohne deren mechanische Beschaffenheit oder Form stark zu beeinflussen.
Die Anordnung der beschriebenen Komponenten des Sensors , d. h. des Messwertaufnehmers, der Verstärkerschaltung, des Anschlusses , der Sensorleitung und des Temperatursensors ist beliebig, insofern die Anforde- rungen hinsichtlich der Miniaturisierung des Sensors erfüllt sind .
Vorzugsweise ist als Verstärkersσhaltung eine Operationsverstärkerschaltung Bestandteil des Sensors . Dieser basiert auf Halbleiterschaltungen, die mittels Halbleitertechnologien herstellbar sind.
Vorzugsweise weist die Verstärkerschaltung eine zusätzliche Anpassungs- und Treiberstufe auf , die es ermöglicht , auch lange Strom- und/oder Signalleitungen unterschiedlichster Bauart und mit unterschied- lichsten elektrischen Kennwerten, z . B . hinsichtlich der Kapazität oder der Impedanz , an den Sensor anschließen zu können .
Die Verstärkerschaltung besteht vorzugsweise aus mehreren einzelnen Verstärkerstufen .
Die Kapazität der Verstärkerschaltung wird dabei durch eine besondere Schaltung realisiert , einem sog . Kapazitätsmultiplizierer, bestehend aus einem weiteren Operationsverstärker und einer vergleichsweise kleinen noch integrierbaren Beschaltung verhält sich die Stufe wie ein Kondensator, deren nominaler Wert um bis zu Faktor 100 größer sein kann als die Aus- gangskapazität .
Als Trägerstruktur eignen sich grundsätzlich alle Materialien, die eine Miniaturisierung des Sensors gestatten . Besonders bevorzugt sind dabei Materialien als Trägerstruktur, die eine einfache und kostengünstige Herstellung erlauben. Als bevorzugte Materialien sind hier z . B . Kunststoff , Metall , Halbleiter oder Keramik zu nennen .
Der mindestens eine Messwertaufnehmer besteht aus einem piezoelektrischen Material . Vorzugsweise besteht er dabei aus Quarz , ZnO, AlN, PbZrTiO3 (PZT) oder aus einem piezoelektrischen Polymer, insbesondere Polyvi- nylidenfluorid (PVDF) . Der Messwertaufnehmer kann da- bei sowohl aus einer Schicht (unimorph) aus zwei
Schichten (bimorph) oder aus mehreren Schichten (mul- timorph) aufgebaut sein. Hinsichtlich der Geometrie des Messwertaufnehmers bestehen keinerlei Beschränkungen, vielmehr sind diese beliebig an den Anwen- dungszweck anpassbar . So kann ein Messwertaufnehmer z . B . in Form einer Scheibe , als dünne Folie, als Fa- ser, als Röhrchen oder auch als Stäbchen vorliegen .
Ebenso ist es möglich, dass mehrere Messwertaufnehmer auf der Trägerstruktur angeordnet sind .
Die piezoelektrischen Messwertaufnehmer sind vorzugsweise in kürzester Distanz mit der Verstärkerschaltung verbunden . In einer bevorzugten Variante sind die Messwertaufnehmer und die Verstärkerschaltung übereinander, z . B . in verschiedenen Schichten geordnet . Der Abstand kann dabei im Bereich zwischen 1 μm bis 10 mm liegen . Eine andere bevorzugte Variante sieht vor, dass Messwertaufnehmer und Verstärkerschaltung lateral , d . h . nebeneinander in einer Flä- che , angeordnet sind . Hierbei kann der Abstand zwischen Messwertaufnehmer und Verstärkerschaltung im Bereich zwischen 10 μm bis 100 mm liegen . Auf diese Weise können elektromagnetische Störeinflüsse auf ein Minimum reduziert werden.
Zur Anpassung an die Größe und Form des Messobj ektes oder zur Integration in ein Verbundbauteil ist der piezoelektrische Sensor vorzugsweise dünn und mechanisch flexibel oder umformbar gestaltet . Es können aber auch beliebige piezoelektrische Messwertaufnehmer an die Verstärkerschaltung angeschlossen werden .
Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass der Sensor einen Anschluss aufweist , über den eine exter- ne Spannungsquelle anschließbar ist . Hierfür kommen sowohl eine Gleich- wie auch eine Wechselspannungs- quelle in Frage . Die Spannungsquelle dient dabei der Änderung der Verstärkung einer oder mehrerer Verstärkerstufen in der Verstärkerschaltung . Auf diese Weise wird eine Kalibrierung bzw . Nachkalibrierung zu beliebigen Zeitpunkten ermöglicht . Dies ist somit auch mδglich, wenn der erfindungsgemäße Sensor bereits in ein Messobjekt bzw. Verbundbauteil integriert ist .
Der erfindungsgemäße Sensor kann mit konventionellen Methoden der Aufbau- und Verbindungstechnik hergestellt werden und die einzelnen Komponenten können z . B . durch Klebeverfahren, Die-Bonding und Bump- Techniken, z . B . als Flip-Chip, sowie Wire-Bonding- Verfahren aufgebracht werden .
Um den Sensor und insbesondere die Elektronik vor mechanischen, thermischen und chemischen, und hier insbesondere korrosiven Beanspruchungen zu schützen, können Dünnschichten zur Passivierung auf dem Sensor aufgebracht sein . Diese können vorzugsweise aus einem Elastomer, einem Thermoplasten, einem thermoplastischen Elastomer oder einem Duromer bestehen . Eine andere bevorzugte Variante sieht vor, dass eine Dünnschicht aus einem anorganisch-organischen Hybridpoly- mer, wie es in der WO 93/25604 beschrieben ist , aufgebracht wird . Die Beschichtung kann dabei beispielsweise im Tauchverfahren erfolgen . Durch derartige Schichten, die bevorzugt eine Dicke von < 10 μm und besonders bevorzugt eine Dicke von < 5 μm aufweisen, kann eine platzsparende Passivierung des Sensors erfolgen .
Erfindungsgemäß wird ebenso ein" Verbundbauteil bereitgestellt , das den zuvor beschriebenen erfindungs- gemäßen piezoelektrischen Sensor aufweist . Bestandteile des Verbundbauteils können dabei ganz allgemein Metalle , Holz , Gläser, Polymere und keramische Werkstoffe sein . Unter Verbundwerkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung ist somit auch beispielsweise ein metallisches Bauteil , z . B . in Form von Rohren, zu verstehen, an dem der erfindungsgemäße Sensor mittels Klebeverbindung angebracht ist .
Vorzugsweise besteht das Verbundbauteil aus einem Kunststoff oder aus einem Kunststoff-Laminat . Im Be- reich der Kunststoffe sind hierbei insbesondere Carbonfaser-verstärkte Kunststoffe (CPK) , Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und Aramid-verstärkte Kunststoffe zu nennen.
Verwendung findet der erfindungsgemäße piezoelektri sche Sensor im Bereich der Schwingungs- , Beschleuni- gungs- und/oder Auslenkungsmessung . Typische Anwendungsfelder betreffen hierbei den Maschinenbau, die Luft- und Raumfahrt bzw. die Automobilindustrie . Ein typisches Beispiel für die Verwendung derartiger Systeme ist ein Aufprallsensor in Kraftfahrzeugen .
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungs- gemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränken zu wollen .
Fig . 1 zeigt eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensors .
Fig . 2 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensors .
Fig . 3 zeigt eine elektronische Schaltungsvariante der Verstärkerschaltung .
In Fig . 1 ist eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Sensors dargestellt . Auf der Trägerstruktur 1 ist dabei ein piezoelektrischer Messwert- aufnehmer 2 integriert . Als weitere Bestandteile weist der Sensor eine Verstärkerschaltung 3 in Form eines Chips auf . Die Verstärkerschaltung kann mittels Halbleitertechnologie in einer Größenordnung von z . B . etwa 3x3 mm2 hergestellt werden. Zwischen dem Mess- wertaufnehmer und der Verstärkerschaltung ist zusätz- lieh ein Thermosensor 4 angeordnet . In Kombination mit der in der Verstärkerschaltung integrierten Temperaturkompensation können so Messungen auch bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen in der Umgebung durchgeführt werden. Weiterhin weist der erfindungs- gemäße Sensor einen Anschluss 5 , z . B . in Form eines Steckkontaktes , auf , an den externe Strom- und/oder Signalleitungen 6 angeschlossen werden können. Für den Fall , dass Strom- und/oder Signalleitungen unterschiedlicher Bauart und mit unterschiedlichen elekt- rischen Kennwerten an den Sensor angeschlossen werden sollen, ist in der Verstärkerschaltung 3 zusätzlich eine Treiberstufe integriert . Weiterhin sind in der Figur Leiterbahnen 8 zu erkennen, die die einzelnen Bauteile untereinander verbinden .
In Fig . 2 ist eine Seitenansicht des in Fig . 1 dargestellten erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensors dargestellt . Auf der Trägerstruktur 1 , die z . B . aus Kunststoff mit Metall oder Keramik besteht , ist ein piezoelektrischer Messwertaufnehmer 2 angeordnet . Im vorliegenden Fall besteht dieser aus einer Piezo- Dünnschicht mit einer Dicke von etwa 2 μm. Auf der der Trägerstruktur abgewandten Seite des piezoelektrischen Messwertaufnehmers ist zusätzlich eine Isola- tionsschicht angeordnet , die eine Dicke von etwa
30 μm aufweist . Weiterer Bestandteil des erfindungsgemäßen Sensors ist eine Verstärkerschaltung in Form eines Chips , der etwa 0 , 3 mm dick ist . Zwischen dem piezoelektrischen Messwertaufnehmer 2 und der Ver- Stärkerschaltung 3 ist ein Temperaturfühler angeordnet , der im vorliegenden Fall eine Dicke von 0 , 05 mm besitzt . An dem anderen Ende der Trägerstruktur 1 ist ein Anschluss 5 in Form eines Steckkontaktes angeordnet , an den ein Sensorkabel , z . B . eine Strom- oder Signalleitung, anschließbar ist . Durch den hier be- schriebenen miniaturisierten Aufbau können sehr dünne Sensoren hergestellt werden . Die hier beschriebene Variante weist dabei eine Dicke von nicht mehr als 0 , 5 mm auf .
In Fig . 3 ist eine Variante eines Schaltbildes der Verstärkerschaltung dargestellt . Das Schaltbild besteht dabei aus drei wesentlichen Elementen. So besteht die Einheit A aus der Eingangsstufe, die einen Ladungsverstärker aufweist . Die maximal zu verarbei- tende Ladung und die maximal mögliche Ausgangsspannung bestimmen über einen linearen Zusammenhang den Wert des Ladungskondensators . Die Zeitkonstante aus R und C ist sehr groß, um sehr niedrige Frequenzen des Ladungssignals ohne Amplituden- und Phasenfehler aus- werten zu können .
Die Verstärkerschaltung weist weiterhin die Einheit B auf . Hierbei handelt es sich um eine Vorstufe , die aus einem Rail-to-Rail-Operationsverstärker aufgebaut ist . Der nominale Verstärkungsfaktor beträgt 1. Über eine externe eingespeiste Spannung kann in einem engen Bereich der Nominalwert kleiner (Dämpfung) bzw. größer (Verstärkung) gewählt werden .
Der dritte wesentliche Bestandteil des Schaltbildes bezieht sich auf die Einheit C, die einen weiteren Verstärker aufweist . Dieser Verstärker erzeugt die Common Mode-Spannung (Vdd-2 ) und legt damit den Arbeitspunkt der beiden anderen Stufen fest .
Das Zusammenwirken der drei beschriebenen Elemente stellt somit den integrierten Ladungsverstärker dar .

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrischer Sensor enthaltend eine Trägerstruktur (1) , mindestens einen piezoelektrischen Messwertaufnehmer (2 ) , eine Verstärkerschaltung (3 ) sowie mindestens einen Anschluss für externe Strom- und/oder Signalleitungen (5) ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Sensor einen Thermosensor (4 ) aufweist und die Verstärkerschaltung eine Temperaturkom- pensation enthält .
2. Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet , dass der Sensor monolit- hisch aufgebaut ist .
3. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet , dass die Verstärkerschaltung (3 ) eine Operationsverstärkerschaltung ist .
4. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorher- gehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet , dass die Verstärkerschaltung (3 ) eine Treiberstufe aufweist , die den Anschluss langer Messkabel ermöglicht .
5. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet , dass die Trägerstruktur (1) aus einem Kunststoff , einem Metall , einem Halbleiter oder einer Keramik besteht .
6. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet , dass der mindestens eine Messwertaufnehmer (2 ) aus Quarz , ZnO, AlN, PbZrTiO3 (PZT) oder einem piezoelektrischen Polymer, insbesondere Polyvinylidenfluorid (PVDF) besteht .
7. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorher- gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , dass der mindestens eine Messwertaufnehmer (2 ) unimorph, bimorph oder multimorph aufgebaut ist .
8. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet , dass der mindestens eine Messwertaufnehmer (2 ) in Form einer Scheibe , als dünne Folie , Faser, Röhrchen und/oder Stäbchen vorliegt .
9. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorher- gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , dass der Sensor flexibel ist .
10. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , dass der Sensor mindestens einen Anschluss (7, V ) aufweist, über den eine externe Spannungsquelle zur Änderung der Verstärkung und damit zur Kalibrierung des Sensors anschließbar ist .
11. Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , dass der Sensor zur Pas- sivierung eine Dünnschicht , insbesondere aus einem Elastomer, einem Thermoplasten, einem thermoplastischen Elastomer oder einem Duromer, aufweist .
12. Piezoelektrischer Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet , dass die Dünnschicht aus einem anorganisch-organischen Hybridpolymer be- steht .
13. Verbundbauteil enthaltend einen piezoelektrischen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Verbundbauteil nach Anspruch 13 ,
dadurch gekennzeichnet , dass das Verbundbauteil einen Kunststoff oder ein Kunststofflaminat enthält .
15. Verwendung des piezoelektrischen Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Schwingungs- , Beschleunigungs- und/oder Auslenkungsmessung .
16. Verwendung nach Anspruch 15 im Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt und/oder in Automobilindust- rie .
17. Verwendung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche als Aufprallsensor in Kraftfahrzeugen .
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