EP3359937A1 - Sensor und verfahren zur messung eines drucks - Google Patents

Sensor und verfahren zur messung eines drucks

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EP3359937A1
EP3359937A1 EP16779070.8A EP16779070A EP3359937A1 EP 3359937 A1 EP3359937 A1 EP 3359937A1 EP 16779070 A EP16779070 A EP 16779070A EP 3359937 A1 EP3359937 A1 EP 3359937A1
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EP
European Patent Office
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sensor
outer electrode
base body
internal electrodes
pressure
Prior art date
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Pending
Application number
EP16779070.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Galler
Harald Kastl
Markus Puff
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TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3359937A1 publication Critical patent/EP3359937A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
    • G01L5/0038—Force sensors associated with force applying means applying a pushing force
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • H10N30/8548—Lead-based oxides
    • H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/877—Conductive materials

Definitions

  • the present invention relates to a sensor. It is a sensor that measures a pressure or a mechanical stress with the help of the piezoelectric effect. The pressure acting on the sensor is converted into an electric charge flow. This property can be applied to pressures
  • the present invention relates to a method for measuring a pressure.
  • Sensors based on piezoelectric materials such as
  • monolithic piezoelectric sensor 101 This has a monolithic body 102, which consists of a homogeneous layer of a pressure-sensitive material. On an upper side surface 109 and a lower side surface 110 of the main body 102, an outer electrode 105, 108 are arranged, so that the layer of pressure-sensitive material between the outer electrodes 105, 108 is located.
  • the outer electrodes 105, 108 are used for tapping at
  • the pressure to be measured acts directly on the external electrodes 105, 108.
  • the outer electrodes 105, 108 must be covered with insulating layers to prevent the formation of
  • the outer electrodes 105, 108 have a metallic material that can be manufactured with reasonable effort only with insufficient flatness. The unevenness on the surfaces 106, 107 can lead to measurement inaccuracies. In addition, the metallic outer electrodes 105, 108 are resistant
  • Object of the present invention is therefore to provide an improved sensor, which makes it possible to overcome at least one of the above-mentioned disadvantages. Another object is to provide an improved method for
  • a sensor according to the present claim 1 It is proposed a sensor having a base body, wherein the main body is a piezoelectric
  • the piezoelectric material and at least two arranged in the piezoelectric material internal electrodes.
  • the at least two internal electrodes are arranged in the piezoelectric material such that between the at least two
  • the sensor may in particular be a pressure sensor. Accordingly, the sensor may be configured to measure a pressure acting on the body.
  • the internal electrodes can be used as "in the
  • piezoelectric material arranged "when they are sandwiched between two layers of piezoelectric
  • each inner electrode To be covered by the piezoelectric material. A side
  • a surface that abuts an outer electrode may be free of the piezoelectric material.
  • a pressurization side surface of the body is a
  • the main body can also have a plurality of side surfaces provided for pressurizing.
  • the sensor can have any number of internal electrodes.
  • the sensor can have more than two
  • the inner electrodes may be divided into first inner electrodes contacted with a first outer electrode and second inner electrodes contacted with a second outer electrode, wherein the number of first and second inner electrodes need not be equal.
  • the sensor with internal electrodes arranged in the piezoelectric material allows the above
  • the for the Pressurized side surface provided may consist of the piezoelectric material.
  • the piezoelectric material can under constant pressure swing load have a much higher load capacity than a metallic material, so that the life of the sensor is increased. Furthermore, the piezoelectric material can be made with a large flatness, so that the for the
  • the output signal generated by the sensor can be influenced as desired by a variation in the number of internal electrodes.
  • the sensor may further include a first outer electrode and a second outer electrode. Each of the at least two internal electrodes may be connected to the first external electrode or the second external electrode.
  • Outer electrode may be on a first side surface of
  • the second outer electrode may be arranged on a second side surface of the main body. Neither the first side surface nor the second
  • Side surface can be provided for pressurization be. Accordingly, they differ from the side surface provided for the pressurization and are arranged in particular perpendicular to this side surface.
  • the first and second side surfaces may be one another
  • the first outer electrode may be arranged perpendicular to the at least two inner electrodes.
  • the second outer electrode may be perpendicular to the at least two inner electrodes
  • the provided for pressurizing side surface of the body can be parallel to the at least two
  • Internal electrodes may be arranged. Accordingly, the pressure preferably exerts a maximum force on this side surface.
  • the sensor may further include one with the at least two
  • Internal electrodes have associated evaluation unit, which is designed to determine the pressure acting on the base body pressure.
  • the at least two can
  • the evaluation unit is configured to one between the at least two
  • the evaluation unit can also be designed, one fitting between the at least two internal electrodes To measure tension and determine therefrom the pressure acting on the body.
  • the senor may be configured such that the current intensity or the
  • acting pressure of electrical signal is particularly high.
  • a high voltage results in a small number of internal electrodes.
  • a high current results in a large number of internal electrodes.
  • the piezoelectric body may comprise a lead zirconate titanate ceramic.
  • the piezoelectric body may comprise a lead zirconate titanate ceramic.
  • Piezoelectric bodies have a different piezoelectric material, such as a piezoelectric quartz.
  • the internal electrodes may comprise silver, silver-palladium or copper or one of these
  • the first and the second outer electrode may include or consist of a partially glass-containing Einbrandmetallmaschine of silver, silver-palladium or copper.
  • the first and second outer electrodes may further comprise a
  • Sputter layer of CuAg or CrNiAg have.
  • the senor may be a
  • the mechanical amplification system on the provided for pressurizing side surface of the Basic body is arranged.
  • the sensor may comprise a second mechanical amplification system disposed on the side surface corresponding to that for the
  • the mechanical reinforcement system may include a first portion attached to the base body and a second portion
  • the present invention relates
  • Invention a method for measuring a pressure.
  • a method for measuring a pressure with a sensor is proposed, wherein the sensor has a main body which comprises a piezoelectric material, at least two arranged in the piezoelectric material
  • Internal electrodes is connected to the first outer electrode or the second outer electrode, wherein the first
  • outside electrode disposed on a first side surface of the base body, wherein the second outer electrode is disposed on a second side surface of the base body, and wherein the base body further comprises a third side surface
  • the pressure to be measured is exerted on the third side surface.
  • the pressure to be measured is exerted on a side surface of the main body which is free of electrodes.
  • the third side surface provided for the pressurization may consist of the piezoelectric material.
  • the piezoelectric material can under constant pressure swing load have a much higher load capacity than a metallic material, so that the
  • Piezoelectric material are manufactured with a large flatness, so that provided for the pressurization side surface is free of bumps and no
  • the method may comprise the step of determining the pressure acting on the base body on the basis of a current intensity measured by the evaluation unit or on the basis of a voltage measured by the evaluation unit.
  • a mechanical amplification system On the side surface on which the pressure is exerted, a mechanical amplification system may be arranged.
  • the mechanical reinforcement system may be configured such that a pressure acting on the mechanical reinforcement system deforms it, transferring the deformation of the mechanical reinforcement system into a deformation of the base body. In particular, the body can thereby be pulled apart or compressed.
  • mechanical reinforcement system may be designed such that a pressure exerted on the reinforcing system pressure leads to a deformation of the base body, which is ten times greater than the deformation, which would undergo the body, if the same pressure directly on the
  • the mechanical amplification system can be any mechanical amplification system.
  • the mechanical reinforcement system may include a first portion attached to the base body and a second portion spaced apart from the base member
  • Basic body is arranged, have.
  • the second region can be moved relative to the main body.
  • Figure 1 shows one known in the art
  • Figure 2 shows a first embodiment of a sensor
  • Figure 3 shows a schematic representation of the
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a
  • Figure 5 shows a third embodiment of a
  • FIG. 2 shows a sensor 1 according to a first embodiment
  • the sensor 1 has a main body 2, which has a piezoelectric material 13.
  • Internal electrodes 4 are arranged.
  • the internal electrodes 3, 4 are each between layers of the piezoelectric
  • the first internal electrodes 3 are provided with a first one
  • Outer electrode 5 is arranged on a first side surface 6 of the main body 2.
  • the first side surface 6 of the base body 2 and the first outer electrode 5 are perpendicular to the inner electrodes 3, 4. Furthermore, the first inner electrodes 3 with respect to a second outer surface 7, which is opposite to the first side surface 6, set back.
  • a second outer electrode 8 is arranged on the second side surface 7, .
  • the first internal electrodes 3 are not
  • the second internal electrodes 4 are connected to the second
  • External electrode 8 contacted electrically.
  • Internal electrodes 4 are set back from the first side surface 6 and accordingly are not electrically connected to the first outer electrode 5.
  • the main body 2 also has at least one side surface 9, 10, which is provided for pressurization.
  • the direction from which the pressure acts on the base body 2 is marked in FIG. 1 by two corresponding arrows.
  • the side surface 9, 10 provided for pressurizing extends parallel to the inner electrodes 3, 4.
  • an upper side surface 9 and a lower side surface 10 are provided for the pressurization.
  • D ⁇ 33 ⁇ E + d 33 (2)
  • s indicates the mechanical expansion of the main body 2
  • D indicates the shift density
  • E indicates the electrical
  • T is the on the
  • d indicates the piezoelectric constant of the piezoelectric material 13 of the
  • Dielectric constant and S33 indicates the compliance. It is further assumed in equations (1) and (2) that the print axis, the polarization axis and the
  • Detection axis respectively match and lie in the stacking direction S, which is also referred to here as the 33 direction. If now the electric field generated is measured, the pressure acting on the main body 2 can be calculated therefrom. To measure this field, either a voltage applied to the outer electrodes 5, 8 or a voltage
  • Polarization direction 12 of the piezoelectric material 13 under the action of a pressure changes.
  • Section i shows the polarization without pressure and section ii shows the polarization with applied pressure.
  • FIG. 4 shows a possible structure for pressure measurement with the aid of the sensor 1, wherein here a sensor 1 according to a second exemplary embodiment is used.
  • the sensor 1 according to the second embodiment differs from the sensor 1 according to the first embodiment in the number of the first and second internal electrodes 3, 4.
  • the sensor 1 is connected to an electronic evaluation unit 11. According to the embodiment shown in Figure 4, the first outer electrode 5 and the second outer electrode 8 via the electronic
  • Evaluation unit 11 contacted with each other electrically.
  • a pressure acts on the main body 2
  • a current flows from the first outer electrode 5 via the evaluation unit 11 to the second outer electrode 8.
  • the evaluation unit 11 is designed to measure the current intensity of this current. From this measurement, the pressure acting on the base body 2 pressure can be calculated.
  • the first outer electrode 5 and the second outer electrode 8 are not connected to one another via the electronic evaluation unit 11
  • the evaluation unit 11 can determine a voltage applied between the two outer electrodes 5, 8 and from this measured value to the
  • the sensors 1 described here with internal electrodes 3, 4 arranged in the basic body 2 have considerable advantages over the monolithic sensors 101 shown in FIG. In particular, the sensors 1 are such
  • Side surface 6, 7 acts, on which the outer electrodes 5, 8 are located.
  • the provided for pressurizing side surfaces 9, 10 consist of an electric
  • Be provided side surfaces, so a part of the surface would be used for electrical contacting of the outer electrodes.
  • the side surface provided for pressurizing is made of a piezoelectric material 13, it can be made with a high flatness, resulting in
  • a piezoelectric material 13 can give a high accuracy of measurement.
  • Surfaces of a piezoelectric material 13 can be manufactured with less effort in a greater flatness than would be possible for metallic surfaces. Further, the piezoelectric materials 13 prove to be very resistant to pressure swing loads, so that a side surface made of a piezoelectric material 13 can increase the life of the sensor 1.
  • Another advantage of the sensor described herein is its high design freedom. Since the number of internal electrodes can be changed as desired, the output charge dissipated via the internal electrodes or the voltage applied between the internal electrodes can be adjusted as desired. Of the
  • n indicates the number of piezoelectric layers.
  • Q n indicates the charge output of the sensor 1 with n on piezoelectric layers.
  • Qo gives the charge output of a monolithic sensor 101 without integrated
  • U n indicates the open-circuit voltage applied between the outer electrodes 5, 8 of the sensor 1 with n piezoelectric layers when the outer electrodes 5, 8 are not short-circuited with each other.
  • Uo gives the no-load voltage between the
  • External electrodes 105, 108 of the corresponding monolithic sensor 101 at. E n indicates the output energy of the sensor 1 with n piezoelectric layers which are proportional to the
  • Product is from open circuit voltage and charge output. Eo indicates the output energy of the monolithic sensor 101.
  • Amount of current to be made of the output current is therefore a sensor 1 with many internal electrodes 3, 4th
  • a sensor 1 with a small number of internal electrodes 3, 4 is advantageous, since in this way a maximum sensitivity can be achieved.
  • Figure 5 shows a third embodiment of a sensor 1.
  • the sensor 1 has, in contrast to the sensors 1 according to
  • a mechanical amplification system 14 is provided in the first and second embodiments.
  • the mechanical amplification system 14 is provided in the first and second embodiments.
  • Reinforcement system 14 makes it possible to amplify a pressure applied to the sensor 1.
  • the mechanical amplification system 14 has
  • the frusto-conical element 15 is glued to the upper side surface 9.
  • the frusto-conical member 15 has a first portion 16 secured to the upper side surface 9.
  • the first region 16 is an edge region of the frusto-conical element 15.
  • the frusto-conical element 15 further has a second region 17 which is spaced from the upper side surface.
  • the second area 17 may be to the
  • Base body 2 are moved towards or away from the main body 2. If a force is applied to the second area 17,
  • the first region 16 is stretched in a radial direction to the outside.
  • the main body 2 can be pulled apart.
  • the mechanical reinforcement system 14 is constructed so that a pressure acting on the reinforcement system 14 to a deformation of the mechanical
  • Reinforcement system 14 is attached to the upper side surface 9, causes the deformation of the reinforcing system 14, that the main body 2 is pulled apart or compressed.
  • the reinforcement system 14 may be the deformation of the Base body 2 increase by, for example, ten times over the deformation that the base body 2 would experience when the force acts directly on the base body 2.
  • Reinforcement system 14 attached to the upper side surface 9, i. on a side surface which is free of the outer electrodes 5, 8. In this way it can be ensured that the outer electrodes 5, 8 not by the mechanical
  • Reinforcement system 14 can be damaged.
  • a second mechanical amplification system 14 is further arranged, which in the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor (1) mit einem Grundkörper, der ein piezoelektrisches Material (13) und zumindest zwei in dem piezoelektrischen Material (13) angeordnete Innenelektroden (3, 4) aufweist, die derart angeordnet sind, dass zwischen den zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) eine Spannung entsteht, wenn ein Druck auf eine für eine Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche (9, 10) des Grundkörpers (2) einwirkt. Der Sensor kann eine mechanisches Verstärkungssystem (14) aufweisen.

Description

Beschreibung
Sensor und Verfahren zur Messung eines Drucks Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor. Es handelt sich dabei um einen Sensor, der einen Druck, beziehungsweise eine mechanische Spannung, mit Hilfe des piezoelektrischen Effektes misst. Der auf den Sensor einwirkende Druck wird dabei in einen elektrischen Ladungsfluss umgewandelt. Diese Eigenschaft kann dazu angewandt werden, um Drücke
beziehungsweise Druckschwankungen zu vermessen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Drucks. Sensoren, die auf piezoelektrischen Materialien, wie zum
Beispiel einer Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) Keramik oder Quarz basieren, sind bekannt. Figur 1 zeigt einen solchen
monolithischen piezoelektrischen Sensor 101. Dieser weist einen monolithischen Grundkörper 102 auf, der aus einer homogene Schicht eines drucksensitiven Materials besteht. Auf einer oberen Seitenfläche 109 und einer unteren Seitenfläche 110 des Grundkörpers 102 sind je eine Außenelektroden 105, 108 angeordnet, so dass sich die Schicht des drucksensitiven Materials zwischen den Außenelektroden 105, 108 befindet. Die Außenelektroden 105, 108 dienen zum Abgreifen des bei
Druckbelastung entstehenden elektrischen Signals.
Bei diesem Sensor 101 wirkt der zu messende Druck unmittelbar auf die Außenelektroden 105, 108 ein. Damit sind zahlreiche Nachteile verbunden. Die Außenelektroden 105, 108 müssen mit Isolationsschichten bedeckt sein, um das Entstehen von
Leckströmen zu vermeiden. Außerdem müssen auf der oberen und der unteren Seitenflächen 106, 107 ferner elektrische Verbindungen der Außenelektroden 105, 108 vorgesehen sein, sodass die Flächen 106, 107 nicht ganzflächig zur
Druckbelastung genutzt werden können. Die Außenelektroden 105, 108 weisen ein metallisches Material auf, das mit vertretbarem Aufwand nur mit einer unzureichenden Ebenheit fertigbar ist. Die Unebenheiten auf den Flächen 106, 107 können zu Messungenauigkeiten führen. Außerdem weisen die metallischen Außenelektroden 105, 108 unter beständig
auftretenden Druckwechselbelastungen hohe Abnutzungseffekte auf, die die Lebensdauer des Sensors 101 verkürzen können.
Darüber hinaus wird in der monolithischen Ausführungsform der Anbau eines mechanischen Verstärkungssystems, das kleine Drücke in hohe auf den Sensor einwirkende übersetzt,
erschwert .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Sensor anzugeben, der es ermöglicht, zumindest einen der oben genannten Nachteile zu überwinden. Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zur
Messung eines Drucks anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Es wird ein Sensor vorgeschlagen, der einen Grundkörper aufweist, wobei der Grundkörper ein piezoelektrisches
Material und zumindest zwei in dem piezoelektrischen Material angeordnete Innenelektroden aufweist. Die zumindest zwei Innenelektroden sind dabei derart in dem piezoelektrischen Material angeordnet, dass zwischen den zumindest zwei
Innenelektroden eine Spannung entsteht, wenn ein Druck auf eine für eine Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche des Grundkörpers einwirkt. Bei dem Sensor kann es sich insbesondere um einen Drucksensor handeln. Dementsprechend kann der Sensor dazu ausgestaltet sein, einen auf den Grundkörper wirkenden Druck zu messen.
Die Innenelektroden können dabei als „in dem
piezoelektrischen Material angeordnet" bezeichnet werden, wenn sie zwischen zwei Schichten des piezoelektrischen
Materials angeordnet sind. Dementsprechend können eine
Oberseite und eine Unterseite jeder Innenelektrode von dem piezoelektrischen Material bedeckt sein. Eine seitliche
Fläche, die an einer Außenelektrode anliegt, kann jedoch frei von dem piezoelektrischen Material sein. Bei der für die Druckbeaufschlagung vorgesehenen Seitenfläche des Grundkörpers handelt es sich insbesondere um eine
Seitenfläche des Grundkörpers, die parallel zu den
Innenelektroden angeordnet ist. Der Grundkörper kann auch mehrere für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenflächen aufweisen.
Der Sensor kann eine beliebige Anzahl an Innenelektroden aufweisen. Insbesondere kann der Sensor mehr als zwei
Innenelektroden aufweisen. Die Innenelektroden können in erste Innenelektroden, die mit einer ersten Außenelektrode kontaktiert sind, und zweite Innenelektroden, die mit einer zweiten Außenelektrode kontaktiert sind, aufgeteilt werden, wobei die Anzahl der ersten und der zweiten Innenelektroden nicht gleich sein muss.
Der Sensor mit in den in dem piezoelektrischen Material angeordneten Innenelektroden ermöglicht es, die oben
beschriebenen Nachteile zu überwinden. Die für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche kann aus dem piezoelektrischen Material bestehen. Das piezoelektrische Material kann unter ständiger Druckwechselbelastung eine deutlich höhere Belastbarkeit aufweisen als ein metallisches Material, so dass die Lebensdauer des Sensors erhöht wird. Ferner kann das piezoelektrische Material mit einer großen Ebenheit gefertigt werden, so dass die für die
Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche frei von
Unebenheiten ist und daraus keine Messfehler resultieren können.
Auch das Anbringen eines mechanischen Verstärkungssystems, das die auf den Sensor einwirkenden Drücke verstärkt, ist leicht möglich. Besonders vorteilhaft ist das Anbringen dieses Systems auf den Seitenflächen des Grundkörpers parallel zu den Innenelektroden.
Ein weiterer Vorteil des Sensors besteht in seiner
verbesserten Designfreiheit. Das von dem Sensor erzeugte Ausgangssignal kann durch eine Variation in der Anzahl der Innenelektroden in gewünschter Weise beeinflusst werden.
Dabei kann insbesondere erreicht werden, dass die Stromstärke dieses Signals oder die Spannung dieses Signals erhöht wird. Der Sensor kann ferner eine erste Außenelektrode und eine zweite Außenelektrode aufweisen. Jede der zumindest zwei Innenelektroden kann mit der ersten Außenelektrode oder der zweiten Außenelektrode verbunden sein. Die erste
Außenelektrode kann auf einer ersten Seitenfläche des
Grundkörpers angeordnet sein. Die zweite Außenelektrode kann auf einer zweiten Seitenfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Weder die erste Seitenfläche noch die zweite
Seitenfläche können für die Druckbeaufschlagung vorgesehen sein. Dementsprechend unterscheiden sie sich von der für die Druckbeaufschlagung vorgesehenen Seitenfläche und sind insbesondere senkrecht zu dieser Seitenfläche angeordnet. Die erste und die zweite Seitenfläche können einander
gegenüberliegen.
Die erste Außenelektrode kann senkrecht zu den zumindest zwei Innenelektroden angeordnet sein. Die zweite Außenelektrode kann senkrecht zu den zumindest zwei Innenelektroden
angeordnet sein.
Da der Druck in Richtung senkrecht zu den Innenelektroden wirkt, übt der Druck eine nur minimale Kraft auf die
Außenelektroden aus, die sich ebenfalls in dieser Richtung erstrecken.
Die für eine Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche des Grundkörpers kann parallel zu den zumindest zwei
Innenelektroden angeordnet sein. Dementsprechend übt der Druck vorzugsweise eine maximale Kraft auf diese Seitenfläche aus .
Der Sensor kann ferner eine mit den zumindest zwei
Innenelektroden verbundene Auswerteeinheit aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, den auf den Grundkörper einwirkenden Druck zu bestimmen. Dabei können die zumindest zwei
Innenelektroden über die Auswerteeinheit miteinander
elektrisch kontaktiert sein, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgestaltet ist, einen zwischen den zumindest zwei
Innenelektroden fließenden Strom zu vermessen und daraus den auf den Grundkörper einwirkenden Druck zu bestimmen.
Alternativ kann die Auswerteeinheit auch ausgestaltet sein, eine zwischen den zumindest zwei Innenelektroden anliegende Spannung zu vermessen und daraus den auf den Grundkörper einwirkenden Druck zu bestimmen.
Je nach Ausgestaltung der Auswerteeinheit kann der Sensor derart ausgestaltet sein, dass die Stromstärke oder die
Spannung eines in Folge eines auf den Grundkörper
einwirkenden Drucks erzeugten elektrischen Signals besonders hoch ist. Eine hohe Spannung ergibt sich bei einer kleinen Anzahl von Innenelektroden. Eine hohe Stromstärke ergibt sich bei einer großen Anzahl von Innenelektroden.
Der piezoelektrische Grundkörper kann eine Blei-Zirkonat- Titanat-Keramik aufweisen. Alternativ kann der
piezoelektrische Grundkörper ein anderes piezoelektrisches Material, beispielsweise einen piezoelektrischen Quarz, aufweisen. Die Innenelektroden können Silber, Silber- Palladium oder Kupfer aufweisen oder aus einem dieser
Materialien bestehen. Die erste und die zweite Außenelektrode können eine teilweise glashaltige Einbrandmetallisierung aus Silber, Silber- Palladium oder Kupfer aufweisen oder aus dieser bestehen. Die erste und die zweite Außenelektrode können ferner eine
Sputterschicht aus CuAg oder CrNiAg aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Sensor ein
mechanisches Verstärkungssystem aufweisen, das dazu
ausgestaltet ist, einen Verformung des mechanischen
Verstärkungssystems infolge eines auf den Sensor wirkenden Drucks in eine Verformung des Grundkörpers zu übersetzen.
Dabei kann das mechanische Verstärkungssystem auf der für eine Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche des Grundkörpers angeordnet ist. Ferner kann der Sensor ein zweites mechanisches Verstärkungssystem aufweisen, das auf der Seitenfläche angeordnet ist, die der für die
Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche gegenüberliegt.
Das mechanische Verstärkungssystem kann einen ersten Bereich, der an dem Grundkörper befestigt ist, und einen zweiten
Bereich, der von dem Grundkörper beabstandet und relativ zu dem Grundkörper bewegbar ist, aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Drucks.
Es wird ein Verfahren zur Messung eines Drucks mit einem Sensor vorgeschlagen, wobei der Sensor einen Grundkörper aufweist, der ein piezoelektrisches Material, zumindest zwei in dem piezoelektrischen Material angeordnete
Innenelektroden, eine erste Außenelektrode und eine zweite Außenelektrode aufweist, wobei jede der zumindest zwei
Innenelektroden mit der ersten Außenelektrode oder der zweiten Außenelektrode verbunden ist, wobei die erste
Außenelektrode auf einer ersten Seitenfläche des Grundkörpers angeordnet ist, wobei die zweite Außenelektrode auf einer zweiten Seitenfläche des Grundkörpers angeordnet ist, und wobei der Grundkörper ferner eine dritte Seitenfläche
aufweist, die frei von der ersten Außenelektrode und der zweiten Außenelektrode ist. Bei dem Verfahren wird der zu messende Druck auf die dritte Seitenfläche ausgeübt. Insbesondere kann der oben beschriebene Sensor für das
Verfahren gemäß dem hier diskutierten Aspekt verwendet werden. Dementsprechend können sämtliche strukturellen und funktionellen Merkmale, die für den Sensor offenbart sind, auch auf das Verfahren zutreffen.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird der zumessende Druck auf eine Seitenfläche des Grundkörpers ausgeübt, die frei von Elektroden ist. Dadurch können verschiedene Vorteile erreicht werden. Die für die Druckbeaufschlagung vorgesehene dritte Seitenfläche kann aus dem piezoelektrischen Material bestehen. Das piezoelektrische Material kann unter ständiger Druckwechselbelastung eine deutlich höhere Belastbarkeit aufweisen als ein metallisches Material, so dass die
Lebensdauer des Sensors erhöht wird. Ferner kann das
piezoelektrische Material mit einer großen Ebenheit gefertigt werden, so dass die für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche frei von Unebenheiten ist und daraus keine
Messfehler resultieren können.
Ferner kann in Folge des auf die dritte Seitenfläche
ausgeübten Drucks zwischen den zumindest zwei Innenelektroden eine Spannung entstehen, wobei der Sensor ferner eine mit den zumindest zwei Innenelektroden verbundene Auswerteeinheit aufweisen kann. Das Verfahren kann den Schritt des Bestimmens des auf den Grundkörper einwirkenden Drucks auf Basis einer von der Auswerteeinheit gemessenen Stromstärke oder auf Basis einer von der Auswerteeinheit gemessenen Spannung aufweisen.
Auf der Seitenfläche, auf die der Druck ausgeübt wird, kann ein mechanisches Verstärkungssystem angeordnet sein. Das mechanische Verstärkungssystem kann derart ausgestaltet sein, dass ein Druck, der auf das mechanische Verstärkungssystem wirkt, dieses verformt, wobei die Verformung des mechanischen Verstärkungssystems in eine Verformung des Grundkörpers überführt wird. Insbesondere kann der Grundkörper dabei auseinandergezogen oder zusammengepresst werden. Das
mechanische Verstärkungssystem kann derart ausgestaltet sein, dass ein auf das Verstärkungssystem ausgeübter Druck zu einer Verformung des Grundkörpers führt, die um das Zehnfache größer ist als die Verformung, die der Grundkörper erfahren würde, falls der gleiche Druck unmittelbar auf den
Grundkörper ausgeübt würde.
Das mechanische Verstärkungssystem kann ein
kegelstumpfförmiges Element, beispielsweise ein Blech aus Titan, aufweisen. Das mechanische Verstärkungssystem kann einen ersten Bereich, der an dem Grundkörper befestigt ist, und eine zweiten Bereich, der in einem Abstand zu dem
Grundkörper angeordnet ist, aufweisen. Der zweite Bereich kann relativ zu dem Grundkörper bewegt werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von
Figuren genauer beschrieben. Figur 1 zeigt einen im Stand der Technik bekannten
monolithischen Sensor,
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors, Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die
Veränderung der Polarisation eines
piezoelektrischen Materials unter Druckeinwirkung.
Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines
Sensors . Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines
Sensors, der ein mechanisches Verstärkungssystem aufweist . Figur 2 zeigt einen Sensor 1 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel. Der Sensor 1 weist einen Grundkörper 2 auf, der ein piezoelektrisches Material 13 aufweist. In dem Grundkörper 2 sind erste Innenelektroden 3 und zweite
Innenelektroden 4 angeordnet. Dabei sind die Innenelektroden 3, 4 jeweils zwischen Schichten des piezoelektrischen
Materials 13 angeordnet.
Die ersten Innenelektroden 3 sind mit einer ersten
Außenelektrode 5 elektrisch kontaktiert. Die erste
Außenelektrode 5 ist auf einer ersten Seitenfläche 6 des Grundkörpers 2 angeordnet. Die erste Seitenfläche 6 des Grundkörpers 2 sowie die erste Außenelektrode 5 sind dabei senkrecht zu den Innenelektroden 3, 4. Ferner sind die ersten Innenelektroden 3 gegenüber einer zweiten Außenfläche 7, die der ersten Seitenfläche 6 gegenüberliegt, zurückgesetzt. Auf der zweiten Seitenfläche 7 ist eine zweite Außenelektrode 8 angeordnet. Die ersten Innenelektroden 3 sind nicht
elektrisch mit der zweiten Außenelektrode 8 kontaktiert. Die zweiten Innenelektroden 4 sind mit der zweiten
Außenelektrode 8 elektrisch kontaktiert. Die zweiten
Innenelektroden 4 sind gegenüber der ersten Seitenfläche 6 zurückgesetzt und sind dementsprechend nicht mit der ersten Außenelektrode 5 elektrisch verbunden.
In einer Stapelrichtung S, die senkrecht zu den
Innenelektroden 3, 4 ist, wechseln sich erste Innenelektroden 3 und zweite Innenelektroden 4 ab, wobei jeweils zwischen zwei Innenelektroden 3, 4 eine Schicht bestehend aus dem piezoelektrischen Material 13 angeordnet ist.
Der Grundkörper 2 weist ferner zumindest eine Seitenfläche 9, 10 auf, die für eine Druckbeaufschlagung vorgesehen ist. Die Richtung, aus der der Druck auf den Grundkörper 2 einwirkt, ist in Figur 1 durch zwei entsprechende Pfeile markiert. Die für die Druckbeaufschlagung vorgesehenen Seitenfläche 9, 10 erstreckt sich parallel zu den Innenelektroden 3, 4. Bei dem in Figur 1 gezeigten Sensor 1 ist eine obere Seitenfläche 9 und eine untere Seitenfläche 10 für die Druckbeaufschlagung vorgesehen .
Wirkt nunmehr ein Druck auf die für die Druckbeaufschlagung vorgesehenen Seitenflächen 9, 10, so wirkt dieser Druck auf das piezoelektrische Material 13 des Grundkörpers 2. Aufgrund des Piezoeffekts wird dadurch unter Einwirkung des Druckes die Polarisation des piezoelektrischen Materials 13
verändert. Damit verbunden ist eine Ansammlung von
elektrischer Ladung, die in dem piezoelektrischen Material 13 entsteht und über die Innenelektroden 3, 4 abgeführt werden kann. Je größer der auf den Sensor 1 einwirkende Druck, desto mehr Ladung wird im Grundkörper 2 erzeugt und über die
Innenelektroden 3, 4 zu den jeweiligen Außenelektroden 5, 8 abgeführt.
Der Zusammenhang zwischen dem in dem Grundkörper 2 erzeugten elektrischen Feld und dem auf den Grundkörper 2 ausgeübten Druck wird durch die beiden Gleichungen (1) und (2)
beschrieben: s d33 E + S33 (1)
D = ε33 εο E + d33 (2) Dabei gibt s die mechanische Dehnung des Grundkörpers 2 an, D gibt die Verschiebungsdichte an, E gibt die elektrische
Feldstärke des infolge des piezoelektrischen Effektes
entstehenden elektrischen Feldes an, T gibt die auf dem
Grundkörper einwirkende mechanische Spannung an, d gibt die Piezokonstante des piezoelektrischen Materials 13 des
Grundkörpers 2 an, 833 und So geben die
Dielektrizitätskonstanten an und S33 gibt die Nachgiebigkeit an. Es wird in den Gleichungen (1) und (2) ferner angenommen, dass die Druckachse, die Polarisationsachse und die
Detektionsachse jeweils übereinstimmen und in Stapelrichtung S liegen, die hier auch als 33-Richtung bezeichnet wird. Wird nunmehr das erzeugte elektrische Feld vermessen, kann daraus der auf den Grundkörper 2 einwirkende Druck berechnet werden. Um dieses Feld zu vermessen, kann entweder eine an den Außenelektroden 5, 8 anliegende Spannung oder eine
Stromstärke eines Stroms, der beim Kurzschließen der
Außenelektroden 5, 8 fließt, vermessen werden.
In Figur 3 ist angedeutet, dass sich die
Polarisationsrichtung 12 des piezoelektrischen Materials 13 unter Einwirkung eines Druckes ändert. Ausschnitt i zeigt die Polarisation ohne Einwirkung eines Druckes und Ausschnitt ii zeigt die Polarisation mit einwirkendem Druck.
Figur 4 zeigt einen möglichen Aufbau zur Druckmessung mit Hilfe des Sensors 1, wobei hier ein Sensor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Der Sensor 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Sensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in der Anzahl der ersten und zweiten Innenelektroden 3, 4. Ferner ist der Sensor 1 mit einer elektronischen Auswerteeinheit 11 verbunden. Gemäß dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die erste Außenelektrode 5 und die zweite Außenelektrode 8 über die elektronische
Auswerteeinheit 11 miteinander elektrisch kontaktiert.
Dementsprechend fließt bei Einwirkung eines Druckes auf den Grundkörper 2 ein Strom von der ersten Außenelektrode 5 über die Auswerteeinheit 11 zur zweiten Außenelektrode 8. Die Auswerteeinheit 11 ist dazu ausgestaltet, die Stromstärke dieses Stroms zu vermessen. Aus dieser Messgröße kann der auf den Grundkörper 2 einwirkende Druck errechnet werden.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die erste Außenelektrode 5 und die zweite Außenelektrode 8 nicht über die elektronische Auswerteeinheit 11 miteinander
kurzgeschlossen. In diesem Fall kann die Auswerteeinheit 11 eine zwischen den beiden Außenelektroden 5, 8 anliegende Spannung bestimmen und aus dieser Messgröße den auf den
Grundkörper 2 einwirkenden Druck berechnen.
Die hier beschriebenen Sensoren 1 mit in dem Grundkörper 2 angeordneten Innenelektroden 3, 4 weisen gegenüber dem in Figur 1 gezeigten monolithischen Sensoren 101 erhebliche Vorteile auf. Insbesondere sind die Sensoren 1 derart
ausgestaltet, dass die Druckbelastung nicht auf die
Seitenfläche 6, 7 einwirkt, auf der sich die Außenelektroden 5, 8 befinden. Die für die Druckbeaufschlagung vorgesehen Seitenflächen 9, 10 bestehen aus einem elektrisch
isolierenden piezoelektrischen Material 13. Daher ist keine zusätzliche Isolierschicht erforderlich, um Leckströme zu vermeiden. Ferner findet keine elektrische Kontaktierung auf den druckbeaufschlagten Flächen statt, sodass diese vollflächig von dem Druck belastet werden können. Würden dagegen Außenelektroden auf den zu beaufschlagenden
Seitenflächen vorgesehen sein, so müsste ein Teil der Fläche zur elektrischen Kontaktierung der Außenelektroden genutzt werden.
Da die zur Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche aus einem piezoelektrischen Material 13 besteht, kann sie mit einer hohen Ebenheit gefertigt werden, woraus sich
insbesondere eine hohe Messgenauigkeit ergeben kann. Flächen aus einem piezoelektrischen Material 13 können mit weniger Aufwand in einer größeren Ebenheit gefertigt werden als dies für metallische Flächen möglich wäre. Ferner erweisen die piezoelektrischen Materialien 13 sich als sehr beständig gegenüber Druckwechselbelastungen, sodass eine aus einem piezoelektrischen Material 13 bestehende Seitenfläche die Lebensdauer des Sensors 1 erhöhen kann.
Ein weiterer Vorteil des hier beschriebenen Sensors besteht in seiner hohen Designfreiheit. Dadurch, dass die Anzahl der Innenelektroden in gewünschter Weise verändert werden kann, können die über die Innenelektroden abgeführte Ausgangsladung beziehungsweise die zwischen den Innenelektroden anliegende Spannung in gewünschter Weise eingestellt werden. Der
Zusammenhang zwischen diesen Größen wird durch die Formeln (3) bis (5) beschrieben.
Qn = n-Qo (3)
Un = U0/n (4)
En = (Qn-Un)/2 = (Q0-U0)/2 = Eo (5) n gibt dabei die Anzahl der piezoelektrischen Schichten an. Qn gibt den Ladungsoutput des Sensors 1 mit n piezoelektrischen Schichten an. Qo gibt den Ladungsoutput eines monolithischen Sensors 101 ohne integrierte
Innenelektroden und mit gleichem Volumen an. Un gibt die zwischen den Außenelektroden 5, 8 anliegende LeerlaufSpannung des Sensors 1 mit n piezoelektrischen Schichten an, wenn die Außenelektroden 5, 8 nicht miteinander kurzgeschlossen werden. Uo gibt die LeerlaufSpannung zwischen den
Außenelektroden 105, 108 des entsprechenden monolithischen Sensors 101 an. En gibt die Ausgangsenergie des Sensors 1 mit n piezoelektrischen Schichten an, die proportional zu dem
Produkt aus LeerlaufSpannung und Ladungsoutput ist. Eo gibt die Ausgangsenergie des monolithischen Sensors 101 an.
Die Formeln (3) bis (5) zeigen, dass die Ausgangsenergie En unabhängig von der Anzahl der Innenelektroden 3, 4 ist. Die Ausgangsspannung Qn ist dagegen umgekehrt proportional zur Anzahl der Innenelektroden 3, 4. Der Ladungsoutput Qn, der im Wesentlichen die Stromstärke eines elektrischen Signals bei Verbindung der beiden Außenelektroden 5, 8 bestimmt, ist direkt proportional zur Anzahl der Innenelektroden. Für eine Auswerteeinheit 11, bei der Messungen auf Basis der
Stromstärke des Ausgangsstroms vorgenommen werden sollen, ist daher ein Sensor 1 mit vielen Innenelektroden 3, 4
vorteilhaft, da hier eine größere Ausgangsstromstärke
erreicht wird, wodurch die Sensitivität des Sensors 1 erhöht werden kann. Für einen Sensor 1, bei dem die Auswerteeinheit 11 auf Basis der Ausgangsspannung misst, ist dagegen ein Sensor 1 mit einer geringen Anzahl von Innenelektroden 3, 4 vorteilhaft, da auf diese Weise eine maximale Sensitivität erreicht werden kann.
Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Sensors 1. Der Sensor 1 weist im Gegensatz zu den Sensoren 1 gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich ein mechanisches Verstärkungssystem 14 auf. Das mechanische
Verstärkungssystem 14 ermöglicht es, einen auf den Sensor 1 ausgeübten Druck zu verstärken.
Das mechanische Verstärkungssystem 14 weist ein
kegelstumpfförmiges Element 15 auf, das auf der oberen
Seitenfläche 9 des Grundkörpers 2 befestigt ist.
Beispielsweise ist das kegelstumpfförmige Element 15 auf der oberen Seitenfläche 9 festgeklebt.
Das kegelstumpfförmige Element 15 weist einen ersten Bereich 16 auf, der an der oberen Seitenfläche 9 befestigt ist. Der erste Bereich 16 ist ein Randbereich des kegelstumpfförmigen Elements 15. Das kegelstumpfförmige Element 15 weist ferner einen zweiten Bereich 17 auf, der von der oberen Seitenfläche beabstandet ist. Der zweite Bereich 17 kann zu dem
Grundkörper 2 hin oder von dem Grundkörper 2 weg bewegt werden. Wird auf den zweiten Bereich 17 eine Kraft,
beispielsweise durch einen Druck, ausgeübt, wodurch der zweite Bereich 17 in Richtung der oberen Seitenfläche 9 bewegt wird, so wird der erste Bereich 16 in einer radialen Richtung nach außen gedehnt. Dadurch kann der Grundkörper 2 auseinandergezogen werden.
Insbesondere ist das mechanische Verstärkungssystem 14 derart konstruiert, dass ein auf das Verstärkungssystem 14 wirkender Druck zu einer Verformung des mechanischen
Verstärkungssystems 14 führt. Da das mechanische
Verstärkungssystem 14 an der oberen Seitenfläche 9 befestigt ist, bewirkt die Verformung des Verstärkungssystems 14, dass der Grundkörper 2 auseinandergezogen oder zusammengepresst wird. Das Verstärkungssystem 14 kann die Verformung des Grundkörpers 2 um beispielsweise das Zehnfache erhöhen gegenüber der Verformung, die der Grundkörper 2 erfahren würden, wenn die Kraft unmittelbar auf den Grundkörper 2 wirkt .
Wie oben bereits diskutiert, ist das mechanische
Verstärkungssystem 14 an der oberen Seitenfläche 9 befestigt, d.h. an einer Seitenfläche die frei von den Außenelektroden 5, 8 ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Außenelektroden 5, 8 nicht durch das mechanische
Verstärkungssystem 14 beschädigt werden können.
Auf der unteren Seitenfläche 10 ist ferner ein zweites mechanisches Verstärkungssystem 14 angeordnet, das im
Wesentlichen baugleich zu dem oben beschriebenen
Verstärkungssystem 14 ist.
Bezugs zeichenliste
1 Sensor
2 Grundkörper
3 erste Innenelektrode
4 zweite Innenelektrode
5 erste Außenelektrode
6 erste Seitenfläche
7 zweite Außenfläche
8 zweite Außenelektrode
9 obere für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche
10 untere für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche
11 Auswerteeinheit
12 Polarisationsrichtung
13 piezoelektrisches Material
14 mechanisches Verstärkungssystem
15 kegelstumpfförmiges Element
16 erster Bereich
17 zweiter Bereich
101 monolitischer Sensor
102 Grundkörper
105 Außenelektrode
108 Außenelektrode
109 obere Seitenfläche
110 untere Seitenfläche S Stapelrichtung

Claims

Sensor (1), aufweisend
einen Grundkörper (2), der ein piezoelektrisches
Material (13) und zumindest zwei in dem
piezoelektrischen Material (13) angeordnete
Innenelektroden (3, 4) aufweist, die derart angeordnet sind, dass zwischen den zumindest zwei Innenelektroden
(3, 4) eine Spannung entsteht, wenn ein Druck auf eine für eine Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche
(9, 10) des Grundkörpers (2) einwirkt.
Sensor (1) gemäß Anspruch 1,
wobei die für eine Druckbeaufschlagung vorgesehene
Seitenfläche (9, 10) des Grundkörpers (2) aus dem piezoelektrischen Material (13) besteht.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor (1) ferner eine erste Außenelektrode (5) und eine zweite Außenelektrode (6) aufweist und jede der zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) mit der ersten Außenelektrode (5) oder der zweiten Außenelektrode (6) verbunden ist,
wobei die erste Außenelektrode (5) auf einer ersten Seitenfläche (6) des Grundkörpers (2) angeordnet ist, wobei die zweite Außenelektrode (6) auf einer zweiten Seitenfläche (7) des Grundkörpers (2) angeordnet ist, und
wobei weder die erste Seitenfläche (6) noch die zweite Seitenfläche (7) für die Druckbeaufschlagung vorgesehen sind .
Sensor (1) gemäß Anspruch 3, wobei die erste Außenelektrode (5) senkrecht zu den zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) angeordnet ist, und wobei die zweite Außenelektrode (6) senkrecht zu den zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) angeordnet ist.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die für eine Druckbeaufschlagung vorgesehene
Seitenfläche (9, 10) des Grundkörpers (2) parallel zu den zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) angeordnet ist .
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor (1) ferner eine mit den zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) verbundene Auswerteeinheit (11) aufweist, die dazu ausgestaltet ist, den auf den
Grundkörper (2) einwirkenden Druck zu bestimmen.
Sensor (1) gemäß Anspruch 6,
wobei die zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) über die Auswerteeinheit (11) miteinander elektrisch kontaktiert sind, und wobei die Auswerteeinheit (11) dazu
ausgestaltet ist, einen zwischen den zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) fließend Strom zu vermessen und daraus den auf den Grundkörper (2) einwirkenden Druck zu bestimmen .
Sensor (1) gemäß Anspruch 6,
wobei die Auswerteeinheit (11) dazu ausgestaltet ist, eine zwischen den zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) anliegende Spannung zu vermessen und daraus den auf den Grundkörper (2) einwirkenden Druck zu bestimmen.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der piezoelektrische Grundkörper (2) eine Blei- Zirkonat-Titanat Keramik aufweist.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Innenelektroden (3, 4) Silber, Silber- Palladium oder Kupfer aufweisen.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste und die zweite Außenelektrode (3, 4) eine teilweise glashaltige Einbrandmetallisierung aus Silber, Silber-Palladium oder Kupfer aufweisen.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste und die zweite Außenelektrode (5, 8) eine Sputterschicht aus CuAg oder CrNiAg aufweisen.
Sensor (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, der ein mechanisches Verstärkungssystem (14) aufweist, das dazu ausgestaltet ist, einen Verformung des
mechanischen Verstärkungssystems (14) infolge eines auf den Sensor (1) wirkenden Drucks in eine Verformung des Grundkörpers (2) zu übersetzen.
Sensor (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei das mechanische Verstärkungssystem (14) auf der für eine Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche (9) des Grundkörpers (2) angeordnet ist.
Sensor (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei der Sensor ein zweites mechanisches
Verstärkungssystem (14) aufweist, das auf der
Seitenfläche (10) angeordnet ist, die der für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche (9)
gegenüberliegt .
16. Sensor (1) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15,
wobei das mechanische Verstärkungssystem (14) einen ersten Bereich (16), der an dem Grundkörper (2)
befestigt ist, und einen zweiten Bereich (17), der von dem Grundkörper (2) beabstandet und relativ zu dem
Grundkörper (2) bewegbar ist, aufweist.
17. Verfahren zur Messung eines Drucks mit einem Sensor (1), wobei der Sensor (1) einen Grundkörper (2) aufweist, der ein piezoelektrisches Material, zumindest zwei in dem piezoelektrischen Material angeordnete Innenelektroden (3, 4),
eine erste Außenelektrode (5) und eine zweite
Außenelektrode (6) aufweist, wobei jede der zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) mit der ersten
Außenelektrode (5) oder der zweiten Außenelektrode (6) verbunden ist,
wobei die erste Außenelektrode (5) auf einer ersten Seitenfläche (6) des Grundkörpers (2) angeordnet ist, wobei die zweite Außenelektrode (6) auf einer zweiten Seitenfläche (7) des Grundkörpers (2) angeordnet ist, wobei der Grundkörper ferner eine dritte Seitenfläche (9) aufweist, die frei von der ersten Außenelektrode (5) und der zweiten Außenelektrode (6) ist,
wobei der zu messende Druck auf die dritte Seitenfläche (9) ausgeübt wird.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei in Folge des auf die dritte Seitenfläche (9) ausgeübten Drucks zwischen den zumindest zwei
Innenelektroden (3, 4) eine Spannung entsteht,
wobei der Sensor (1) ferner eine mit den zumindest zwei Innenelektroden (3, 4) verbundene Auswerteeinheit (11) aufweist, und
wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist: - Bestimmen des auf den Grundkörper (2) einwirkenden Drucks auf Basis einer von der Auswerteeinheit (11) gemessenen Stromstärke oder auf Basis einer von der
Auswerteeinheit (11) gemessenen Spannung.
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