EP3178119A1 - Schutzelektrode für einen piezokeramischen sensor - Google Patents

Schutzelektrode für einen piezokeramischen sensor

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Publication number
EP3178119A1
EP3178119A1 EP15747153.3A EP15747153A EP3178119A1 EP 3178119 A1 EP3178119 A1 EP 3178119A1 EP 15747153 A EP15747153 A EP 15747153A EP 3178119 A1 EP3178119 A1 EP 3178119A1
Authority
EP
European Patent Office
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sensor
layer
electrode
protective
sensor according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15747153.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen SCHREINER
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Ceramtec GmbH
Original Assignee
Ceramtec GmbH
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Publication date
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Publication of EP3178119A1 publication Critical patent/EP3178119A1/de
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302Sensors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring 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
    • G01P15/09Measuring 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
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    • H10N30/8548Lead-based oxides
    • H10N30/8554Lead-zirconium titanate [PZT] based
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    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/87Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals

Definitions

  • the invention relates to a piezoceramic sensor in a housing with a layer of a piezoelectric material on each of which a sensor electrode is located on both sides and both sensor electrodes are each connected to a pole.
  • Such sensors are used for example for pressure measurement. They are flat and very accurate.
  • the disadvantage is that forms a potential difference between the sensor electrodes and the housing, which allows a discharge of the charge across the surface. The accuracy of the sensor would then be limited.
  • the invention has for its object to improve a piezoceramic sensor according to the preamble of claim 1 so that no potential difference between the housing and the sensor electrodes is formed, which would allow a derivative of the charge over the surface.
  • this object is achieved in that the layer projects beyond the sensor electrode on at least one side of the layer and a protective electrode enclosing the sensor electrode with insulating spacing is arranged on the part of the layer projecting beyond the sensor electrode.
  • the same charge is induced on the guard electrode (s) as on the sensor electrodes, so there is no potential difference that would allow the charge to dissipate across the surface. It remains the discharge of the volume, the volume resistances are so large that there is no effect on the measurement.
  • the protective electrode thus serves to equalize the voltage between the sensor housing and the sensor electrodes prevent. With this sensor, the smallest deformations in the ⁇ and subpm range can be measured. The protective electrode prevents the discharge of the charge.
  • Moisture which may also occur despite the installation of the sensor in a potting compound on the surface, leads to an increase in the conductivity, especially in piezoelectric materials. Since the potential difference between the protective and sensor electrode but equal to zero, there is no voltage compensation between the protective and sensor electrode.
  • both the sensor electrode and the guard electrode consist of a sintered silver paste.
  • the sensor electrode covers only an inner radius of the layer and the guard electrode surrounds the sensor electrode coaxially with an isolation distance. This coaxial embodiment requires the least space.
  • the layer is circular and consists of a ceramic based on polycrystalline ferroelectric lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT polycrystalline ferroelectric lead zirconate titanate
  • the guard electrode is on both sides of the layer. This embodiment best prevents a potential difference.
  • the guard electrode is located on only one side of the layer. In this case, the sensor electrode preferably completely covers the layer on the other side not provided with the protective electrode. Also in this embodiment, a potential difference is prevented.
  • the use of the sensor according to the invention for measuring pressures is preferred. Advantage has in injectors for automobiles.
  • Figure 1 shows an embodiment of a piezoceramic sensor according to the invention in plan view and Figure 2 shows this sensor in a side view.
  • a layer 3 (in the form of a disk in this embodiment) consists of a piezoceramic material based on polycrystalline lead zirconate titanate. With this layer 3, a sensor electrode 2 are each sintered on both sides, wherein the sensor electrode 2 covers only an inner radius of the layer 3, i. the layer 3 projects annularly over the layer 3.
  • a protective electrode 1 is arranged on both sides of the layer 3 with insulating spacing 7 relative to the sensor electrode 2.
  • the protective electrode 1 is annular and is located in this embodiment, both above and below the layer 3.
  • Figure 1 shows the sensor according to Figure 2 in plan view.
  • the annular protective electrode 1 surrounds the sensor electrode 2 coaxially with an insulating spacing 7.
  • the sensor electrodes 2 on both sides of the layer 3 are each connected to a pole 5, 6. Since there is no potential difference between the sensor electrode 2 and the guard electrode 1, there is no charge drain. If a force 4 (see FIG. 2) is exerted on the sensor, it shortens or bends and this shortening or bending can be measured with this sensor.
  • FIGS. 3 and 4 show an alternative embodiment of a piezoceramic sensor according to the invention.
  • Figure 3 shows this alternative sensor in plan view and Figure 4 in a side view.
  • the upper side 9, on which the protective electrode 1 is located, is identical to the embodiment according to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 3 is therefore identical to FIG. In this embodiment, however, the underside 8 of the sensor is over the entire surface Sensor electrode 2 is formed, that is, on the underside 8 of the sensor there is no guard electrode 1, as on the top 9th
  • the protective electrode 1 can be sealed with an insulating layer.
  • the protective electrode 1 preferably consists of an applied sintered silver paste.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezokeramischer Sensor in einem Gehäuse mit einer Schicht (3), bevorzugt einer PZT-Schicht aus einem piezoelektrischen Material auf der sich beidseitig jeweils eine Sensorelektrode (2) befindet und beide Sensorelektroden (2) mit jeweils einem Pol (5, 6) verbunden sind. Damit keine Potentialdifferenz zwischen dem Gehäuse und den Sensorelektroden (2) entsteht, die eine Ableitung der Ladung über die Oberfläche ermöglichen würde, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass auf zumindest einer Seite der Schicht (3) die Schicht (3) über die Sensorelektrode (2) hinausragt und auf dem über die Sensorelektrode (2) hinausragenden Teil der Schicht (3) eine die Sensorelektrode (2) mit Isolierabstand (7) umgreifende Schutzelektrode (1) angeordnet ist.

Description

Schutzelektrode für einen piezokeramischen Sensor
Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Sensor in einem Gehäuse mit einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material auf der sich beidseitig jeweils eine Sensorelektrode befindet und beide Sensorelektroden mit jeweils einem Pol verbunden sind.
Derartige Sensoren werden zum Beispiel zur Druckmessung verwendet. Sie sind flach und sehr genau.
Von Nachteil ist, dass sich zwischen den Sensorelektroden und dem Gehäuse eine Potentialdifferenz ausbildet, die eine Ableitung der Ladung über die Oberfläche ermöglicht. Die Genauigkeit des Sensors wäre dann eingeschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezokeramischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass keine Potentialdifferenz zwischen dem Gehäuse und den Sensorelektroden entsteht, die eine Ableitung der Ladung über die Oberfläche ermöglichen würde.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass auf zumindest einer Seite der Schicht die Schicht über die Sensorelektrode hinausragt und auf dem über die Sensorelektrode hinausragenden Teil der Schicht eine die Sensorelektrode mit Isolierabstand umgreifende Schutzelektrode angeordnet ist. Auf der oder den Schutzelektrode/Schutzelektroden wird dieselbe Ladung induziert wie auf den Sensorelektroden, daher entsteht keine Potentialdifferenz, die eine Ableitung der Ladung über die Oberfläche ermöglichen würde. Es bleibt die Entladung über das Volumen, wobei die Volumenwiderstände so groß sind, dass keine Beeinflussung der Messung erfolgt. Die Schutzelektrode dient also dazu, einen Spannungsausgleich zwischen dem Sensorgehäuse und den Sensorelektroden zu verhindern. Mit diesem Sensor lassen sich kleinste Verformungen im μιτι- und subpm-Bereich messen. Die Schutzelektrode verhindert hierbei das Ableiten der Ladung. Feuchtigkeit, welche auch trotz Verbau des Sensors in einer Vergussmasse auf der Oberfläche auftreten kann, führt zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit insbesondere bei piezoelektrischen Materialien. Da die Potentialdifferenz zwischen Schutz- und Sensorelektrode aber gleich Null ist, erfolgt auch kein Spannungsausgleich zwischen Schutz- und Sensorelektrode.
Bevorzugt bestehen sowohl die Sensorelektrode als auch die Schutzelektrode aus einer versinterten Silberpaste.
In einer bevorzugten Ausführungsform bedeckt die Sensorelektrode nur einen inneren Radius der Schicht und umgreift die Schutzelektrode die Sensorelektrode koaxial mit einem Isolierabstand. Diese koaxiale Ausführungsform benötigt den wenigsten Bauraum.
Bevorzugt ist die Schicht kreisförmig ausgebildet und besteht aus einer Keramik auf der Basis von polykristallinem ferroelektrischen Blei-Zirkonat-Titanat (PZT).
In einer Ausführungsform befindet sich die Schutzelektrode auf beiden Seiten der Schicht. Diese Ausführungsform verhindert am besten eine Potentialdifferenz. In einer alternativen Ausführungsform befindet sich die Schutzelektrode nur auf einer Seite der Schicht. Hierbei bedeckt die Sensorelektrode auf der anderen, nicht mit der Schutzelektrode versehenen Seite die Schicht bevorzugt vollständig. Auch in dieser Ausführungsform wird eine Potentialdifferenz verhindert. Bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors zur Messung von Drücken. Vorteilhat in Injektoren für Automobile.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezokeramischen Sensors in Draufsicht und Figur 2 diesen Sensor in einer Seitenansicht. Eine Schicht 3 (in dieser Ausführungsform als Scheibe ausgeführt) besteht aus einem piezokeramischen Material auf der Basis von polykristallinem ferroelektrischen Blei- Zirkonat-Titanat. Mit dieser Schicht 3 sind beidseitig jeweils eine Sensorelektrode 2 versintert, wobei die Sensorelektrode 2 nur einen inneren Radius der Schicht 3 bedeckt, d.h. die Schicht 3 ragt ringförmig über die Schicht 3 hinaus. Auf diesem ringförmigen über die Schicht 3 hinausragenden Bereich ist auf beiden Seiten der Schicht 3 mit Isolierabstand 7 zur Sensorelektrode 2 eine Schutzelektrode 1 angeordnet. Die Schutzelektrode 1 ist ringförmig ausgebildet und befindet sich in dieser Ausführungsform sowohl oberhalb als auch unterhalb der Schicht 3. Figur 1 zeigt den Sensor gemäß Figur 2 in Draufsicht. Sehr gut ist zu sehen, dass die ringförmige Schutzelektrode 1 die Sensorelektrode 2 koaxial mit einem Isolierabstand 7 umgreift. Die Sensorelektroden 2 auf beiden Seiten der Schicht 3 sind mit jeweils einem Pol 5, 6 verbunden. Da zwischen der Sensorelektrode 2 und der Schutzelektrode 1 keine Potentialdifferenz besteht, findet auch kein Ladungsabfluss statt. Wird eine Kraft 4 (siehe Figur 2) auf den Sensor ausgeübt, verkürzt bzw. verbiegt sich dieser und diese Verkürzung bzw. Verbiegung kann mit diesem Sensor gemessen werden.
In den Figuren 3 und 4 ist eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezokeramischen Sensors gezeigt. Figur 3 zeigt diesen alternativen Sensor in Draufsicht und Figur 4 in einer Seitenansicht. Die Oberseite 9, auf der sich die Schutzelektrode 1 befindet, ist mit der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2 identisch ausgbildet. Figur 3 ist daher mit Figur 1 identisch. In dieser Ausführungsform ist jedoch die Unterseite 8 des Sensors vollflächig als Sensorelektrode 2 ausgebildet, d.h. auf der Unterseite 8 des Sensors befindet sich keine Schutzelektrode 1 , wie auf der Oberseite 9.
In beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors ist dieser von einem Gehäuse (in den Figuren nicht gezeigt) umgeben. Das Gehäuse kann auch ein umspritzter Kunststoff sein. Zur Isolierung kann die Schutzelektrode 1 mit einer Isolierschicht abgedekt sein. Die Schutzelektrode 1 besteht bevorzugt aus einer aufgebrachten versinterten Silberpaste.

Claims

Ansprüche
1 . Piezokeramischer Sensor in einem Gehäuse mit einer Schicht (3), bevorzugt einer PZT-Schicht aus einem piezoelektrischen Material auf der sich beidseitig jeweils eine Sensorelektrode (2) befindet und beide Sensorelektroden (2) mit jeweils einem Pol (5, 6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf zumindest einer Seite der Schicht (3) die Schicht (3) über die Sensorelektrode (2) hinausragt und auf dem über die Sensorelektrode (2) hinausragenden Teil der Schicht (3) eine die Sensorelektrode (2) mit Isolierabstand (7) umgreifende Schutzelektrode (1 ) angeordnet ist.
2. Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Sensorelektrode (2) als auch die Schutzelektrode (1 ) aus einer versinterten Silberpaste bestehen.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (2) nur einen inneren Radius der Schicht (3) bedeckt und die Schutzelektrode (1 ) die Sensorelektrode (2) koaxial mit einem Isolierabstand (7) umgreift.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) kreisförmig ausgebildet ist und aus einer Keramik auf der Basis von polykristallinem ferroelektrischen Blei-Zirkonat-Titanat besteht.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schutzelektrode (1 ) auf beiden Seiten der Schicht (3) befindet.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schutzelektrode (1 ) nur auf einer Seite der Schicht (3) befindet.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (2) auf der anderen, nicht mit der Schutzelektrode (1 ) versehenen Seite die Schicht (3) vollständig bedeckt.
8. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Messung von Drücken.
9. Verwendung eines Sensors nach Anspruch 7 in Injektoren für Automobile.
EP15747153.3A 2014-08-04 2015-08-04 Schutzelektrode für einen piezokeramischen sensor Withdrawn EP3178119A1 (de)

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