NO178317B - Piezoelektriske sensorelementer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår sensorer for detektering av elastisk deformasjon, endringer av bøyemoment og/eller mekanisk trykk/strekk, nærmere bestemt piezoelektriske sensorele-menter. En anvendelse for slike elementer er deteksjon og måling av Coriolis akselerasjon i en rotasjonssensor (gyroskop) med flere separate enkeltsensorer.

Tradisjonelt er den foretrukne utførelsesform for piezoelektriske elementer par som danner to sammenføyde lag av piezoelektrisk materiale. Dette materiale er polarisert slik at når aksiale påkjenninger påtrykes genereres en elektrisk spenning mellom lagets flater. For å lage et slikt piezoelektrisk par sammenføyes de piezoelektriske lag ved en sementering med en harpiks med et iblandet elektrisk ledende materiale. Når et harpiksmateriale benyttes på denne måte finner imidlertid volumforandringer sted som følge av temperaturendringer, og disse innfører indre spenninger i det piezoelektriske materiale. I seg selv er disse indre spenninger ikke egentlig skadelige siden de kun fremtrer som en temperaturgenerert skaleringsfaktor som det kunne kompenseres for. Imidlertid vil de påkjenninger som skyldes temperaturen gradvis avta når enhver form for sammenføyning ved hjelp av klebing eller sementering benyttes, og dette vil medføre en utillatelig stor hysterese i skaleringsfaktor/temperatur.

Teknikkens stand for sammenføyning av to piezoelektriske lag omfatter US-PS 3 448 503 som beskriver hvordan dette kan skje ved oppløsning av sølvbelagte overflater i flytende amalgam (med 5% sølv-kvikksølv) og deretter sammenpressing av lagene ved 7 N/cm<2>over 72 timer i en ovn som holder 90°C. Denne metode bygger på faststoffdiffusjon og -migrasjon av kvikksølv inn i sølvelektrodene. En annen fremgangsmåte for å sammenføye to piezoelektriske sjikt er presentert i US-PS 3 481 014 og 3 573 511, og her beskrives en særdeles komplisert sammenføyning til et piezoelektrisk par under forming ved at en riflet gullfolie som danner en folie sammenføyes med kobbergrenseflater. Fremgangsmåten krever 30 minutter ved 650°C og en påtrykt kraft på 55 N/cm<2>mot hver flate. Siden det ikke er etablert noe vakuum under sammenf øyningsprosessen vil bindingen kunne bli svak .og gass vil kunne innesluttes under gullfolien.

Foreliggende oppfinnelse eliminerer på en vellykket måte disse problemer ved å skaffe til veie et sensorelement av den type som innledningen av det etterfølgende patentkrav 1 angir. Særlig kan elementet inngå i et piezoelektrisk par. Sensoren påvirkes ikke av indre strekkspenninger og er enkel å fremstille. For fremstillingen av elementet ifølge oppfinnelsen benyttes et metallisk materiale såsom gull/germanium (Au-Ge) og fremstilt i en pådampingsprosess på de motstående overflater på de piezoelektriske sjikt som skal sammenføyes. Sjiktene oppvarmes så mye at det metalliske materiale smelter hvorved sjiktene sammenføyes til et piezoelektrisk par. Ved avkjølingen oppnås polaritet i paret. For å lette fremstillingen av en elektrisk kontakt som fører frem til den sentrale, ledende del av det fremstilte par avfases kantene av de keramiske sjikt før pådampingsrprosessen. Dette fører til et piezoelektrisk par med en V-formet elektrodekontakt ved det sentrale metalliske sjikt.

Nærmere bestemt er oppfinnelsens sensorelement kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken i krav 1.

Oppfinnelsen gjelder også en fremgangsmåte for fremstilling av et sensorelement eller et piezoelektrisk sensorelementpar for måling av bøyemoment, og fremgangsmåten er særlig kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken i det etterfølgende krav 2. Ytterligere særtrekk ved oppfinnelsens fremgangsmåte vil fremgå av de etterfølgende underordnede krav.

Med oppfinnelsens piezoelektriske sensorelement oppnås minimal påvirkning som skyldes at temperaturforandringer gir innvendige strekkspenninger.

De endringer i mekaniske parametre såsom bøyemoment, mekanisk trykk eller strekk, eventuelt elastisk deformasjon og som oppfinnelsens sensorelement er egnet til å måle, kan særlig måles i eller ved hjelp av en såkalt multisensor.

Et utførelseseksempel skal nå beskrives, samtidig vises til de ledsagende tegninger, hvor fig. 1 viset et piezoelektrisk par innenfor teknikkens stand, fig. 2 viser tilstandsdiagrammet for den eutektiske blanding av gull og germanium, fig. 3 viser skjematisk pådampingen av metallfilm på et piezoelektrisk sjikt, fig. 4a viser en utførelsesform av et piezoelektrisk par i samsvar med oppfinnelsen, fig.. 4b viser perspektivisk dette par, og fig. 5 viser et tverrsnitt av en andre utførelsesform av

sensoren ifølge oppfinnelsen.

Den konvensjonelle sensor som er vist på fig. 1 har to sjikt 2 hhv. 4 av piezoelektrisk materiale og med tilnærmet 0,6 mm tykkelse. På sjiktenes ytterside er festet elektroder 6 hhv. 8 som kan være av sølv, nikkel eller gull og f.eks. dekke hele eller det meste av en slik sensors 10 lengde. Sjiktene 2, 4 er festet til en sentral folie 12 med ca. 0,003 mm tykkelse ved hjelp av harpikssjikt 14a og 14b. Folien 12 kan være utført av et materiale innenfor et stort omfang, såsom messing eller tantal, for å nevne to. Som kjent har forskjellige materialer som i dette tilfelle danner den sentrale folie 12 og de piezoelektriske sjikt 2 og 4 forskjell! utvidelseskoeffisient og de vil derfor ikke utvide seg i samme takt ved oppvarming. Følgelig vil aksiale påkjenninger kunne oppstå mellom folien 12 og sjiktene slik at det dannes skjærkrefter i de sementerte harpikssjikt 14a og 14b, og nærværet av slike aksiale påkjenningskrefter endrer følsomheten av den piezoelektriske sensor i form av et par når denne benyttes som omvandler fra deformasjon og til elektriske signaler. Dessuten endres harpikssjiktene med tiden på en måte som søker å redusere strekkspenningene, og dette fører til en gradvis endring av parametre i sensoren, noe som gjerne kalles "kryping". Hvis et instrument skulle bygges opp med slike konvensjonelle piezoelektriske sensorpar for anvendelse over et visst temperaturområde ville temperaturfølsomheten utvise en hysteresekurve. Sagt på en annen måte betyr dette at når temperaturen varierer vil et slikt instrument gi ulike måleresul-tater i avhengighet av når sensoren ble benyttet, dvs. hvilken temperaturmessig forhistorie som forelå.

For å overvinne dette "krypefenomen" krever sammenføy-ningen av de to sjikt et materiale som ikke utsettes for regenerering eller flyting. Et slikt materiale må ha følgende egenskaper:

• Det må være elektrisk ledende,

• det må kunne festes til det piezoelektriske materiale,

• det må ikke utvise"kryping" under påkjenning,

• det må ha tilstrekkelig strekkstyrke, og

• det må kunne anvendes for begge de piezoelektriske lag og kunne sammenføyes ved smelting til seg selv uten tilsats-

middel.

I tillegg må sammenføyningen mellom de to piezoelektriske sjikt og dette materiale ta hensyn til at smeltetempe-raturen er høyere enn drifts- og polarisasjonstemperaturen for en piezoelektrisk parsensor som dannes på denne måte, men lavere enn antennelsestemperaturen. en legering mellom gull og germanium med 12 vektdeler germanium vil kunne benyttes for sammenføyning av to piezoelektriske sjikt slik at det dannes et piezoelektrisk par for en sensor, og av fig. 2 fremgår at dette gir den eutektiske temperatur 356°C, angitt ved punktet i diagrammet. Denne temperatur vil være lav nok til å ha tilstrekkelig avstand til den temperatur hvor endring av de karakteristiske egenskaper for de piezoelektriske sjikt forventes å finne sted, men likevel tilstrekkelig høy til at den ligger godt over driftstemperaturen for sensoren laget av disse elementer og som er sammenføyd med en slik legering, og likeledes vil da temperaturen ligge tilstrekkelig høyt over polarisasjonstemperaturen for hvert av de piezoelektriske elementer.

Med henvisning til fig. 3 fremgår skjematisk hvordan et piezoelektrisk sjikt 18 fremstilles ved at en gull/germaniumfilm 22 katodeforstøves på gull/germaniumsmelten med samme støkio-metri. For lettere å kunne etablere en elektrisk kontaktforbindelse til den indre flate 181 avfases sjiktets ene ende slik at det dannes en kant 20. Grunnen til at katodeforstøvning benyttes for å pålegge smeiten på den indre flate 181 er at da kan avsetningen og støkiometrien av smeiten holdes under presis kontroll. Det er unødvendig å påpeke at tykkelsen av filmen 22 på fig. 3 er kraftig øket av illustrative grunner, og i virkeligheten har denne film en tykkelse på mindre enn 2,5 um.

Etter at det piezoelektriske sjikt 18 er påført filmen 22 av gull/germanium kombineres sjiktet med et tilsvarende sjikt 18a som også på sin indre flate 181 er pålagt en film 22a av gull/germaniumsmelte ved katodeforstøvning. (Fig. 4a). På samme måte som på sjiktet 18 er sjiktet 18a avfaset ved sin ene ende slik at det dannes en kant 24. Filmen 22 har en ytre flate 221 og tilsvarende har sjiktets 18a film 22a en ytre flate 221a. I den viste utførelse plasseres sjiktet 18a på sjiktet 18 slik at filmens respektive ytterflater 22a og 221a blir liggende mot hverandre og slik at de avfasede kanter 20 og 24 flukter. Kombinasjonen av sjiktene 18 og 18a samt filmene 22 og 22a, heretter kalt et piezoelektrisk par 26, oppvarmes så til en høy temperatur slik at de respektive gull/germaniumfilmer på de tilsvarende ytterflater 221 og 221a kan smelte sammen og danne en sammensmeltet mellomliggende film 28 i fast forbindelse med de to sjikt 18 og 18a.

I denne utførelse, hvor det er valgt 12 vektdeler germanium i forhold til mengden gull er den temperatur som trengs for sammensmelting av filmen den eutektiske temperatur for denne legering. Det skal her påpekes at der hvor det benyttes en annen legering eller en kjemisk ulik blanding i forhold til denne, men hvor forøvrig fremgangsmåten er den som er beskrevet ovenfor, vil den eutektiske temperatur, dvs. den temperatur som er nødvendig for å smelte legeringsfilmene sammen for å danne de to piezoelektriske sjikt, naturligvis være en annen.

Etter at paret 26 er oppvarmet til den eutektiske temperatur for den bestemte legering og over en bestemt tidsperi-ode dannes en "krypefri" struktur når filmene 22 og 22a smeltes sammen slik at det dannes ett piezoelektrisk par. Uansett hvor stort mekanisk påtrykk som så forekommer vil det ikke skje noen "kryping" eller molekylomstrukturering mellom filmene 22 og 22a, og de piezoelektriske sjikt 18 og 18a. Det skal også bemerkes at siden tykkelsen av legeringsfilmene 22 og 22a er særdeles liten vil de mekaniske påkjenninger i sjiktene 18 og 18a og i filmene 22 og 22a være minimale. Den foreliggende oppfinnelse omfatter også en fremgangsmåte som går ut på pålegging av metalliske ledende sjikt 30 og 32 for å danne elektroder på de respektive ytre flater 180 og 180 på de tilsvarende sjikt 18 og 18a. For å utføre sammensmeltingen mellom sjiktet 18 og 18a må påføres et mindre trykk, f.eks. 3,5 N/cm<2>. På fig. 4a er vist hvordan et V-formet spor 34 dannes av de avfasede kanter 20 og 24. Merk at sporet 34 er nødvendig å anordne av praktiske grunner, fordi da tykkelsen av den sammensmeltede mellomliggende film 28 er særdeles liten, må det et eller annet sted på det piezoelektriske par 26 være anledning å feste en elektrode til filmen 28. Som vist kan en elektrode 36 forbindes til filmen ved hjelp av en loddestripe 38, og det er over elektroden 36 signalene som tilsvarer de mekaniske påkjenninger som påtrykkes det piezoelektriske par 26 føres ut til deteksjon. Polariseringen og selve deteksjonen i det piezoelektriske elementpar skal nå omtales: De fleste piezoelektriske materialer krever at sensorer som konstrueres av slike materialer polariseres for å kunne aktiveres. En slik polarisering utføres tradisjonelt ved oppvarming av materialet til en temperatur som både er hy nok til å muliggjøre polariseringen, og tilstrekkelig hevet over driftstemperaturen for sensoren til å hindre ompolarisering under drift. En høy soenning påtrykkes da elektrodene samtidig som sensoren befinner seg ved høy temperatur slik at dipolmomentene i det piezoelektriske materiale rettes inn slik at de blir liggende parallelt med pilene 40 og 42 på fig. 4a. Med den polaritet som på denne figur er vist vil det ene sjikt (f.eks. 18) komme til å befinne seg i strekk, mens det andre sjikt (f .ekks. 18a) vil være under trykk dersom et bøyemoment påtrykkes det piezoelektriske par 26 om dets nøytralakse 44. I den konfigurasjon som paret danner måler sensoren bøyemomenter på denne som på en bjelke som bøyes omkring sin nøytralakse 44. Disse bøyemomenter påtrykker et strekk i det ene sjikt og et trykk i det andre. Avhengig av om sensoren er serie- eller parallellkoblet polariseres sjiktene med polariseringsvektorer som på fig. 4a kan sies å sammenfalle med pilenes 40 og 42 retning, og vektorene vil ligge parallelle og ha samme eller motsatt retning. Polarisering av sjiktene i parallell, men med motsatt retning krever at en spenning kobles mellom den sentrale elektrode og en parallellkobling av elektrodene 30 hhv. 32. Dersom polarisering av sjiktene skal skje i parallell og med samme retning, kreves at spenningen kun påtrykkes de ytre elektroder. Detektering av utgangen fra de motsatt polariserte sjikt i det piezoelektriske par krever at signalet måles mellom ytterelektrodene, men ved polarisering i samme retning kreves at signalenet måles mellom den sentrale elektrode og en parallellkobling av de to ytre elektroder. I begge tilfeller vil det være nødvendig at det er lett adgang til elektrisk forbindelse til den sentrale elektrode, og dette kan da passende utføres ved hjelp av det V-spor som er vist på fig. 4a og som kombinerer den avfasede kant på de to deler av sensoren. Dette spor er også vist på fig. 4b.

Siden det piezoelektriske par 26 i virkeligheten er en enhetlig oppbygget sensor vil den ha svært liten tilbøyelighet til "kryping", og målingene som en slik sensor formidler via en detektor fra smeltefilmen 28 vil derfor være meget nøyaktige og fri for forvrengning.

En annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse muliggjør en sammensmelting av et piezoelektrisk sjikt til andre materialer enn tilsvarende piezoelektriske. I enkelte anvendelser er det ønskelig å sammenføye ved smelting et piezoelektrisk materiale til et ikke-piezoelektrisk materiale såsom et metall eller glass for å danne en spesiell tosjikts struktur. Slik sjiktoppbygging kan gjentas for å danne så mange sjikt som man ønsker.

På fig. 5 er vist et eksempel hvor et ikke-piezoelektrisk materialsjikt 51 er smeltet til et piezoelektrisk sjikt 55. Utførelse av dette krever at det ikke-piezoelektriske sjikt 51 er kompatibelt (når det gjelder smelting) med gull/germaniumsjik-tet 54. Dersom dette ikke er tilfelle må et passende mellomliggende sjikt 52 pålegges sjiktet 51. Et gull/germaniumsjikt 53 påføres ved katodeforstøvning på det mellomliggende sjikt 52 og det piezoelektriske sjikt 55 tilføyes deretter tilsvarende det som er beskrevet ovenfor for det piezoelektriske par. En foretrukket utførelse av oppfinnelsen er beskrevet i det ovenstående for å forklare oppfinnelsen, men en rekke endringer, modifikasjoner og erstatninger vil kunne tenkes ut fra dette for en fagmann. Imidlertid kan dette godt være innenfor oppfinnelsens ramme som kun avgrenses av de etterfølgende krav.

Claims (8)

1. Sensorelement for detektering av elastisk deformasjon, endringer av bøyemoment og/eller mekanisk trykk/strekk, omfat-tende : et første piezoelektrisk sjikt (18) med en indre flate (181), en ytre flate (180) og en første kant (20) dannet ved avfasing av den indre flate (181), et andre piezoelektrisk eller ikke piezoelektrisk sjikt (18a) anordnet tilnærmet parallelt med det første sjikt (18) og med en indre flate (181a), en ytre flate (180a) og en andre kant (24) dannet ved avfasing av den indre flate (181a) og fluktende med den første kant (20), og minst én elektrisk ledende film (28) av gull/germanium anordnet mellom det første og det andre sjikt (18, 18a) for metallurgisk innbyrdes sammenføyning slik at det dannes et piezoelektrisk sensorelementpar (26) som med god tilnærmelse unngår molekylomstrukturering over tid (kryping), KARAKTERISERT VED at de respektive kanter (20, 24) langs en felles side av det første og det andre sjikt (18, 18a) er skrått avfaset slik at det dannes et langsgående spor (34) på sensorelementets ene side, at kantene (20, 24) og/eller de ytre flater (180, 180a) av sjiktene (18, 18a), for å tilveiebringe elektrisk kontaktforbindelse til/fra sensorelementeter, er pålagt filmen eller filmene (28) av gull/germanium, og at sporet (34) har midler for å tilveiebringe elektrisk forbindelse med gull/germaniumfilmen (28).

2. Fremgangsmåte for fremstilling av et sensorelement eller et piezoelektrisk sensorelementpar for måling av bøye-moment, KARAKTERISERT VED: avfasing av en første hhv. andre kant (20, 24) på sine respektive motsatt liggende flater på et første, piezoelektrisk sjikt (18) og et andre piezoelektrisk eller ikke piezoelektrisk sjikt (18a), bestemmelse av sammenføyningskompatibilitet mellom det piezoelektriske sjikt og en film av gull/germanium hhv. mellom det ikke-piezoelektriske sjikt og likeledes en film av gull/germanium, og/eller avsetning av en film (28) av gull/germanium på de respektive motsatte flater av det piezoelektriske sjikt (18) hhv. det ikke-piezoelektriske sjikt (18a), eller på disse sjiktene (18, 18a) selv dersom disse er innbyrdes kompatible, slik at hver film kommer til å virke som en grensesnittflate for sitt respektive sjikt, eller, dersom det ene eller begge av sjiktene (18, 18a), nemlig det piezoelektriske (18) og det ikke-piezoelektriske sjikt (18a) er inkompatible, avsetning av en kompatibel sammenføyningsfilm på overflaten av det eller de inkompatible sjikt for å tilveiebringe en resultatflate, og deretter avsetning av en film av gull/germanium på resultantflaten på det eller de sjikt som er påført den sammenføyende kompatible film, og på overflaten av det sjikt som eventuelt er kompatibelt med gull/germanium, plassering av de piezoelektriske sjikt (18, 18a) parallelt med hverandre og slik at de motsatt liggende flater kommer til å berøre hverandre i elektrisk kontaktforbindelse via gull/ germaniumfilmene og slik at de avfasede kanter (20, 24) kommer til å ligge i flukt med hverandre, hvorved det dannes en integrert enhet mellom sjiktene og filmene, oppvarming av den integrerte enhet til en høy temperatur for metallurgisk sammenføyning av gull/germaniumfilmene slik at sensorelementet eller -paret danner en integrert sammenstilling, hvorved det dannes et spor (34) langs de avfasede kanter (20, 24) og slik at sensorelementparet med god tilnærmelse vil unngå molekylomstrukturering over tid (kryping).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at av-setningstrinnet omfatter påføring ved katodeforstøving av gull/ germaniumf i Imen eller -filmene (28) på de motsatt liggende flater på det ene eller hvert piezoelektrisk sjikt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at opp-varmingsstrinnet omfatter å bringe den integrerte enhet til filmens smeltetemperatur.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED avsetning av en metallfilm på hver av de piezoeleketriske sjiktflater som ikke ligger motsatt hverandre for å tilveiebringe elektrisk kontaktforbindelse til/fra sensorelementparet (26).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at av-setningstrinnet eller -trinnene omfatter påføring av gull/germa-niumfilmen eller -filmene i form av katodeforstøvning.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at opp-varmingstrinnet omfatter å bringe den integrerte sammenstilling til filmens eller filmenes smeltetemperatur.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED påføring av trykk mot sammenstillingen under oppvarmingen for å fremme sammenføyning mellom sjiktene.