FR2552226A1

FR2552226A1 - PIEZOELECTRIC PRESSURE SENSOR

Info

Publication number: FR2552226A1
Application number: FR8413857A
Authority: FR
Inventors: Johann Springer; Erhard Sailer
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1983-09-15
Filing date: 1984-09-10
Publication date: 1985-03-22
Also published as: GB2146840B; IT8422658A0; FR2552226B1; DE3333315A1; GB2146840A; IT1175730B; GB8422998D0

Abstract

L'INVENTION PROPOSE UN CAPTEUR DE PRESSION PIEZO-ELECTRIQUE CONSTITUE PAR UNE PLAQUETTE CYLINDRIQUE EN FORME D'ANNEAU 1 EN MATERIAU CERAMIQUE FERROELECTRIQUE, POLARISE EN DIRECTION RADIALE ET POURVU D'ELECTRODES 2, 3 SUR SES SURFACES PERIPHERIQUES INTERIEURE ET EXTERIEURE. LES DEUX FACES DE L'ANNEAU SONT COUVERTES PAR DES RONDELLES DE MATIERE ISOLANTE 4, 5 DONT UNE PORTE UNE COUCHE METALLIQUE 6 SERVANT DE CONDUCTEUR D'ACCES A L'ELECTRODE INTERIEURE 3. CE CAPTEUR EST EN PARTICULIER DESTINE A ETRE UTILISE SUR DES MOTEURS A COMBUSTION.THE INVENTION PROVIDES A PIEZO-ELECTRIC PRESSURE SENSOR CONSTITUTED BY A RING-SHAPED CYLINDRICAL PLATE 1 IN FERROELECTRIC CERAMIC MATERIAL, POLARIZED IN RADIAL DIRECTION AND PROVIDED WITH ELECTRODES 2, 3 ON ITS INTERNAL AND EXTERIOR PERIPHERAL SURFACES. THE TWO SIDES OF THE RING ARE COVERED BY WASHERS OF INSULATING MATERIAL 4, 5 OF WHICH A DOOR A METAL LAYER 6 SERVING AS AN INTERIOR ELECTRODE ACCESS CONDUCTOR 3. THIS SENSOR IS IN PARTICULAR INTENDED TO BE USED ON ENGINES COMBUSTION.

Description

L'invention concerne un capteur de pression piézo-électrique,The invention relates to a piezoelectric pressure sensor,

constitué par une plaquette cylindrique en une matière céramique ferroélectrique polarisée munie d'électrodes. constituted by a cylindrical plate made of a polarized ferroelectric ceramic material provided with electrodes.

Il est connu d'utiliser des capteurs piézo-électri5 ques pour effectuer des mesures de pression dans les domaines les plus divers C'est ainsi que l'on connaît, par exemple par le brevet allemand nb DE-PS 727 041, un capteur piézoélectrique de pression destiné notamment à être utilisé sur des moteurs à combustion interne Ce capteur de pression connu est constitué d'une ou plusieurs plaquettes de quartz qui sont agencées dans un bottier pouvant, par exemple, être vissé dans It is known to use piezoelectric sensors to carry out pressure measurements in the most diverse fields. Thus, for example, German Patent No. DE 727,041 discloses a piezoelectric sensor. pressure sensor intended in particular for use on internal combustion engines This known pressure sensor consists of one or more quartz plates which are arranged in a casing which can, for example, be screwed into

le trou de bougie d'allumage du moteur. the spark plug hole of the engine.

Par la demande de brevet allemand n DE-AS 1 058 773, on connaît un capteur de pression piézo-électrique constitué par une plaquette cylindrique en une matière céramique piézo-électrique, dont les deux faces sont munies d'électrodes, et qui est polarisée dans la direction de l'axe du cylindre La pression exercée sur cette plaquette agit également dans la direction de l'axe du cylindre, c'est-à-dire dans la direction de la polarisation On a alors constaté qu'une pression exercée dans la direction de polarisation a pour effet de diminuer la polarisation Afin de 20 remédier à cet inconvénient, la publication précitée propose que la plaquette en matière céramique piézo-électrique soit placée sous une German patent application DE-AS 1 058 773 discloses a piezoelectric pressure sensor constituted by a cylindrical plate made of a piezoelectric ceramic material, the two faces of which are provided with electrodes, and which is polarized. in the direction of the axis of the cylinder The pressure exerted on this plate also acts in the direction of the axis of the cylinder, that is to say in the direction of the polarization It was then found that a pressure exerted in the polarization direction has the effect of reducing the polarization. In order to overcome this disadvantage, the aforementioned publication proposes that the piezoelectric ceramic plate be placed under

précontrainte radiale Toutefois, cela implique une complication. radial prestressing However, this implies a complication.

La présente invention a pour but de parvenir à un capteur de pression piézo-électrique du genre mentionné au début, qui présentera 25 une structure simple et dont les propriétés piézo-électriques ne seront The present invention aims to achieve a piezoelectric pressure sensor of the kind mentioned at the beginning, which will have a simple structure and whose piezoelectric properties will be

pas atténuées aux fortes pressions axiales. not attenuated at high axial pressures.

Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que cette According to the invention, this object is achieved by the fact that this

plaquette présente la forme d'un anneau polarisé en direction radiale, et en ce que les électrodes sont agencées sur la surface périphérique 30 extérieure et sur la surface périphérique intérieure de cet anneau. The wafer has the shape of a radially polarized ring, and the electrodes are arranged on the outer peripheral surface and on the inner peripheral surface of this ring.

Le capteur de pression selon l'invention est constitué par un anneau en forme de rondelle, en matière céramique ferroélectrique, The pressure sensor according to the invention consists of a ring-shaped washer made of ferroelectric ceramic material.

qui est polarisé en direction radiale et possède des électrodes sur sa surface périphérique extérieure et sa surface périphérique intérieure. which is radially biased and has electrodes on its outer peripheral surface and inner peripheral surface.

Un tel capteur de pression convient pour des pressions pouvant aller jusqu'à 0,2 x 109 pascals sans que les propriétés piézo-électriques de la matière soient dégradées par la pression axiale Un tel capteur convient donc particulièrement bien pour être utilisé sur des moteurs à combustion, afin de contr 6 ler le processus de combustion dans le cylindre, ce qui permet d'optimiser les conditions de fonctionnement, pour ce qui est de la puissance ou de la consommation, par exemple Such a pressure sensor is suitable for pressures up to 0.2 x 109 pascals without the piezoelectric properties of the material being degraded by the axial pressure. Such a sensor is therefore particularly suitable for use on combustion engines. combustion, in order to control the combustion process in the cylinder, which makes it possible to optimize the operating conditions, in terms of power or consumption, for example

en modifiant la composition du mélange en fonction des valeurs mesurées. by modifying the composition of the mixture according to the measured values.

Ce capteur de pression piézoélectrique est de construction This piezoelectric pressure sensor is of construction

très simple et peut Jtre très simplement monté en des endroits quelcon10 ques désirés. very simple and can be very simply mounted in any desired locations.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées The various objects and features of the invention will now be detailed in the description which follows, given by way of non-limiting example, with reference to the appended figures.

qui représentent: la figure 1, une vue en perspective d'un capteur piézo trique selon l'invention; les figures 2 et 3, deux formes de réalisation pratiques de l'invention, vues en coupe; et, which represent: FIG. 1, a perspective view of a piezoelectric sensor according to the invention; FIGS. 2 and 3, two practical embodiments of the invention, seen in section; and,

la figure 4, une vue en coupe montrant comment le capteur 20 de pression selon la figure 3 peut être monté de manière simple. Figure 4 is a sectional view showing how the pressure sensor of Figure 3 can be mounted in a simple manner.

Le capteur de pression selon la présente invention est constitué, comme représenté sur la figure 1, par un anneau cylindrique 1 en matière céramique ferroélectrique Divers types de compositions de titanate et zirconate de plomb conviennent en particulier pour constituer cette matière Sur ses surfaces périphériques, l'anneau est pourvu d'électrodes, à savoir une électrode 2 sur sa surface périphérique extérieure et une électrode 3 sur sa surface périphérique The pressure sensor according to the present invention is constituted, as shown in FIG. 1, by a cylindrical ring 1 of ferroelectric ceramic material. Various types of titanate and lead zirconate compositions are particularly suitable for constituting this material. ring is provided with electrodes, namely an electrode 2 on its outer peripheral surface and an electrode 3 on its peripheral surface

intérieure Ces électrodes sont de préférence constituées par des couches métalliques apportées par vaporisation, projection, ou par un quel30 conque autre procédé. These electrodes are preferably metal layers provided by vaporization, projection, or by any other method.

L'anneau a été polarisé de la manière habituelle, à savoir, The ring has been polarized in the usual way, namely,

dans le cas présent, en direction radiale comme indiqué par des flèches sur la figure 1 Grâce à cette polarisation radiale, les caractéristiques piézo-électriques subsistent en présence de très grandes pressions 35 axiales. in the present case, in the radial direction as indicated by arrows in FIG. 1 Thanks to this radial polarization, the piezoelectric characteristics remain in the presence of very high axial pressures.

La forme annulaire autorise un montage très simple, comme The ring shape allows a very simple mounting, as

expliqué plus loin.explained later.

L'anneau représenté à la figure 1 peut avoir, un diamètre The ring shown in Figure 1 may have a diameter

extérieur d'environ 22 mm, un diamètre intérieur de 14 mm et une épais5 seur de 4 mm. outer diameter of about 22 mm, inner diameter of 14 mm and thickness of 4 mm.

En principe, l'anneau représenté à la figure 1 peut déjà être utilisé comme capteur de pression si les électrodes 2 et 3 sont pourvues de bornes appropriées Il convient toutefois de veiller à ce In principle, the ring shown in Figure 1 can already be used as a pressure sensor if the electrodes 2 and 3 are provided with appropriate terminals.

qu'il n'y ait, lors du montage, aucun court-circuit entre l'électrode 10 extérieure 2 et l'électrode intérieure 3. during the assembly there is no short circuit between the outer electrode 2 and the inner electrode 3.

Une forme de réalisation préférée de l'invention est représentée en coupe sur la figure 2 L'anneau 1 en matière céramique ferroélectrique, portant les électrodes 2 et 3 respectivement situées sur sa surface périphérique extérieure et sur sa surface périphérique intérieu15 re, est recouvert, sur ses deux faces, de plaquettes annulaires ("rondelles") isolantes, 4 et 5 Ces deux rondelles sont de préférence solidarisées à l'anneau 1, par exemple par collage Les rondelles 4 et 5 sont avantageusement faites en une matière céramique isolante, par exemple en oxyde d'aluminium, pour faciliter le raccordement électrique 20 à l'électrode intérieure 3, la rondelle en matière isolante 4 est munie d'une couche métallique 6 qui est électriquement reliée à l'électrode 3, d'une manière appropriée Par exemple, cette connexion peut être réalisée, comme représenté à la figure 2, à l'endroit o l'électrode 6 est représentée franchissant l'arête intérieure de l'anneau 4 De cette manière, un conducteur électrique pour l'électrode 3 peut être fixé en un quelconque point approprié de la couche métallique 6 Un tel capteur de pression peut être fixé de manière simple à support, au moyen d'un A preferred embodiment of the invention is shown in section in FIG. 2 The ring 1 of ferroelectric ceramic material, carrying the electrodes 2 and 3 respectively located on its outer peripheral surface and on its inner peripheral surface, is covered, on its two faces, insulating platelets ("washers") insulating, 4 and 5 These two washers are preferably secured to the ring 1, for example by gluing The washers 4 and 5 are advantageously made of an insulating ceramic material, by In aluminum oxide example, to facilitate the electrical connection to the inner electrode 3, the washer of insulating material 4 is provided with a metal layer 6 which is electrically connected to the electrode 3, in a suitable manner. For example, this connection can be made, as shown in FIG. 2, where the electrode 6 is represented crossing the inner edge of the In this way, an electrical conductor for the electrode 3 can be fixed at any suitable point of the metal layer 6. Such a pressure sensor can be fixed in a simple manner to support, by means of a

téton ou d'une vis traversant le trou central. nipple or screw passing through the central hole.

Toutefois, il est souvent souhaitable que le capteur de pres30 sion soit enclos de manière parfaitement hermétique par rapport à l'environnement, afin d'exclure les effets dommageables provoqués, par exemple, par l'huile et l'essence Sur la surface 3, un tel capteur de pression est représenté en coupe Là encore, les faces de l'anneau ferroélectrique sont recouvertes de deux plaquettes annulaires ("rondelles") 35 en matière isolante, 4 et 5, qui, toutefois, débordent au-delà de l'an- However, it is often desirable for the pres- sure sensor to be enclosed in a perfectly hermetic manner with respect to the environment, in order to exclude the damaging effects caused, for example, by the oil and gasoline on the surface 3, Once again, the faces of the ferroelectric ring are covered with two annular plates ("washers") 35 of insulating material, 4 and 5, which, however, protrude beyond the year-

neau 1 aussi bien du c 8 té extérieur que du c 8 té intérieur C 6 té dessous, la rondelle en matière isolante 4 est munie d'une couche métallique 6 qui vient ainsi en contact électrique avec l'électrode 3 de l'anneau 1 Afin d'éviter que la couche métallique 6 crée un court5 circuit entre l'électrode intérieure 3 et l'électrode extérieure 2, cette dernière ne s'étend pas tout à fait jusqu'au bord supérieur de l'anneau 1 L'anneau 1 peut aussi être métallisé d'une manière usuelle, après quoi son arête supérieure est abattue par enlèvement de matière, par exemple chanfreinée, comme représenté en 9 sur la figure 3 L'en10 lèvement de matière crée une zone isolante entre la couche métallique 1 of both the outer and inner sides C 6 below, the washer made of insulating material 4 is provided with a metal layer 6 which thus comes into electrical contact with the electrode 3 of the ring 1 In order to prevent the metal layer 6 from forming a short circuit between the inner electrode 3 and the outer electrode 2, the latter does not extend completely to the upper edge of the ring 1. The ring 1 It can also be metallized in a conventional manner, after which its upper edge is cut by removal of material, for example chamfered, as shown at 9 in FIG. 3. The removal of material creates an insulating zone between the metal layer.

6 et l'électrode extérieure 2.6 and the outer electrode 2.

L'intervalle subsistant entre les bords en surplomb des rondelles isolantes 4 et 5 est alors rempli, aussi bien du c 8 té intérieur que du côté extérieur, avec une matière isolante appropriée, donc avec une couche de matière isolante extérieure 7 et une couche de matière isolante intérieure S Comme matière isolante, on peut utiliser, par exemple, une résine synthétique durcissable De cette manière, l'anneau 1 peut être complètement enclos et isolé par rapport à l'extérieur Des conducteurs d'amenée 10 et 11 peuvent être mis en place 20 avant l'application de la matière isolante 7, comme représenté à la The gap remaining between the overhanging edges of the insulating washers 4 and 5 is then filled, both inside and outside, with a suitable insulating material, thus with a layer of outer insulating material 7 and a layer of As insulating material, it is possible to use, for example, a curable synthetic resin. In this way, the ring 1 can be completely enclosed and insulated from the outside. Feed conductors 10 and 11 can be in place 20 before the application of the insulating material 7, as shown in FIG.

figure 3.figure 3.

Le montage d'un tel élément est très simple Comme illustré par la figure 4, le capteur de pression piézoélectrique, réalisé par exemple selon la figure 3, est fixé sur une culasse 12 d'un moteur à 25 l'aide d'une vis traversante 13 et d'une rondelle intercalaire 14 permettant d'établir, par vissage, une liaison avec le bloc-cylindre 12 Les conducteurs d'amenée 10 et 11 permettent alors de prélever des signaux correspondant à la pression, indiquant par exemple, un cliquetis du moteur Les propriétés piézoélectriques de l'anneau 1 30 subsistent même aux très hautes pressions, grâce à la polarisation de The mounting of such an element is very simple As illustrated in FIG. 4, the piezoelectric pressure sensor, made for example according to FIG. 3, is fixed on a cylinder head 12 of an engine by means of a screw 13 and an intermediate washer 14 for establishing, by screwing, a connection with the cylinder block 12 The supply conductors 10 and 11 then collect signals corresponding to the pressure, indicating, for example, a clatter The piezoelectric properties of ring 1 remain even at very high pressures, thanks to the polarization of

cet anneau 1.this ring 1.

Claims

1 piezoelectric pressure sensor, constituted by a cylindrical plate made of a polarized ferroelectric ceramic material provided with electrodes, characterized in that this plate has the shape of a ring (1) polarized in a radial direction, and in that the electrodes (2 and 3) are arranged on the outer peripheral surface

and on the inner peripheral surface of this ring (1).

Sensor according to claim 1, characterized in that

washers of insulating material (4, 5) are arranged on the faces of the ring (1) of ferroelectric material.

Sensor according to claim 2, characterized in that the

washers made of insulating material (4, 5) are made of aluminum oxide.

Sensor according to any one of claims 2 or 3,

characterized in that one of the washers of insulating material (4) is provided, on one side, with a metal layer (6) electrically connected to the electrode (3) on the inner peripheral surface of

the ring (1) of ferroelectric material.

Sensor according to one of Claims 2 to 4,

characterized in that the washers of insulating material (4, 5) are secured to the ring (1) of ferroelectric material.

Sensor according to any one of claims 2 to 5,

characterized in that the metal layer (6) of the insulating washer (4) is located on the side thereof facing the ferroelectric material ring (1), and that the electrode (2) agen25 on the outer peripheral surface of this ring (1) does not extend

not to the edge of the ring (1) adjacent this washer (4).

Sensor according to claim 6, characterized in that, in a narrow region of the ring (1), at the location of the edge close to

the metal layer (6) of the material, including a portion of the outer electrode (2), has been removed mechanically.

Sensor according to claim 7, characterized in that

outer edge of the ring (1) of ferroelectric material is chamfered.

Sensor according to any one of claims 2 to 8,

characterized in that the washers of insulating material (4, 5) have an outer diameter and a hole diameter respectively larger and smaller than those of the ring (1) of ferroelectric material, and that the gaps between the overhanging edges of the washers

insulators (4, 5) are filled with insulating material (7, 8).

Sensor according to any one of claims 4 to 9, characterized in that the outer electrode (2) and the metal layer (6) are provided with electrical connection members.