WO2004074798A2 - Elongation sensor, especially for a flexion transducer - Google Patents

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WO2004074798A2
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Andreas Schmid
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    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
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    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders

Definitions

  • Strain sensor especially for a piezoceramic bending transducer
  • the invention relates to a strain sensor, in particular for a piezoceramic bending transducer.
  • the invention further relates to a piezoceramic bending transducer with such a strain sensor.
  • a strain sensor is understood to be a generally electronic component from which a measurement variable can be tapped that changes in a characteristic manner depending on the mechanical strain or contraction of the strain sensor.
  • a so-called strain gauge use in which the strain-dependent ohmic resistance of an electrical conductor contained in the strain gauge is used as a measurement variable.
  • interdigital structure is common.
  • the term interdigital structure is understood to mean a two-dimensional capacitive structure with an expansion-dependent capacitance.
  • a common alternative to a strain sensor is a so-called film sensor, in which a plastic film is coated on both sides with an electrode in the manner of a plate capacitor.
  • the capacitance of the film sensor which is dependent on the stretch of the film, serves as the measurement variable.
  • a film sensor is comparatively cheap to manufacture.
  • the change in capacitance in a conventional film sensor under stretching is disadvantageously only comparatively weak, so that a precise strain measurement is only possible with a sensitive, and therefore generally comparatively expensive, measuring apparatus.
  • Such a strain sensor is particularly often used in a piezoceramic bending transducer.
  • a bending transducer as is known per se, for example, from DE 100 17 760 C1
  • the inverse or reciprocal piezoelectric effect is used, in which an external electric field is the cause of a linear electromechanical interaction between the mechanical and the electrical states of a crystal Crystal deforming mechanical tension generated.
  • the most common piezoelectric materials are manufactured on the basis of the ferroelectric crystal lead zirconate titanate Pb (Zr x Ti (i- x) ) O 3 .
  • the piezoelectric material is processed in polycrystalline form to produce a piezoelectrically active ceramic.
  • a bending transducer consists of at least two layers, of which at least a first layer is piezoelectrically active, i.e. deforms mechanically when an electrical voltage is applied.
  • a bending transducer often also includes a passive layer. If an electrical voltage is applied to the first layer of a piezoceramic bending transducer, this layer is shortened or lengthened, while the passive layer remains constant in length. If the bending transducer comprises several active layers, these are controlled in different ways, so that the aspect ratio of the layers changes here too. In this way, a bending or curvature of the bending transducer can be generated by applying an electrical voltage, which can be used for drive or actuation purposes.
  • bending transducers are used in particular in the fields of electrical engineering, mechanical engineering, acoustics, automation technology, communications technology, information technology and automotive engineering as well as in a wide range of other areas of application.
  • a bending transducer Particularly for applications that require high precision, it is common to equip a bending transducer with a strain sensor.
  • the strain sensor is usually applied to an outer surface of the bending transducer, so that it is stretched or compressed depending on the bending direction when the bending transducer is bent. It is thus possible to determine the deflection of the bending transducer by stretching or compressing the strain sensor.
  • a deflection control is useful, for example, in order to detect a possible thermal bending of the bending transducer and, if necessary, to compensate for it.
  • the invention is based on the object of specifying an inexpensive strain sensor, in particular for a piezoceramic bending transducer, which enables a particularly precise determination of the elongation or compression of the bending transducer allowed.
  • the invention is also based on the object of specifying an inexpensive bending transducer equipped with such a strain sensor.
  • the object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • the strain sensor comprises a first electrode and a second electrode spaced from it, as well as a separating layer that separates the electrodes and is electrically insulating from one another.
  • At least one electrode has a relief-like volume structure on its surface facing the separating layer.
  • the surface with which the electrode rests on the separating layer is enlarged compared to a flat electrode.
  • the change in capacitance is accordingly particularly large, which enables a particularly precise measurement of the strain.
  • a particularly high electrical field occurs at the edges or tips of the volume structure when an electrical voltage is applied.
  • the electrostatic conditions change particularly strongly in these fields where the strain sensor is stretched or contracted. Edges or tips of the volume structure thus contribute to a decisive reinforcement of the change in capacitance of the strain sensor during its stretching or contraction.
  • Areas of the electrode surface with a particularly high surface curvature are referred to here as edges or tips.
  • the volume structure has at least one lamella-like or finger-like projection.
  • a plurality of such projections are preferably provided, so that the volume structure is given a pimpled or fur-like appearance.
  • the surface enlargement is particularly pronounced compared to a flat surface of the same size.
  • a particularly advantageous field elevation of the electric field is generated in the area of the tips of the projections.
  • both electrodes advantageously have a relief-like volume structure, in particular provided with lamellar or finger-like projections. With regard to the mutual arrangement of these volume structures, there are in particular two advantageous embodiments.
  • the volume structure of the two electrodes is matched to one another in such a way that a corresponding projection of the second electrode is provided for each or each projection of the first electrode, which projection is approximately flush with the first projection.
  • the tips of these two projections are at a very close distance from one another, so that the field peaks generated in the area of both tips overlap and reinforce one another.
  • the projections of the opposing electrodes are arranged offset from one another, so that a projection of the first electrode engages like a gear between adjacent projections of the second electrode, and vice versa. A particularly high capacity is achieved in this way.
  • the two described forms of arrangement of the projections can be combined with one another in any desired mixed forms.
  • the length of the or each projection corresponds to at least one third of the thickness or thickness of the separating layer.
  • the thickness of the separating layer is hereby referred to its maximum extent along a direction perpendicular to the surface of the electrodes.
  • the or each projection is embedded in the separating layer.
  • the separating layer is expediently designed as a plastic film or polymer film. This allows inexpensive and simple manufacture of the strain sensor.
  • a polymer film is also advantageous in terms of its good dielectric properties and good elasticity.
  • a particularly suitable material for the separating layer is in particular polyimide.
  • the bending transducer then comprises one passive carrier and an active ceramic block made of a piezoceramic material which is applied flatly thereon, the surface of the ceramic block facing away from the carrier carrying the strain sensor according to the invention.
  • Such a bending transducer is comparatively inexpensive to manufacture and allows a particularly precise deflection control.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section of a piezoceramic bending transducer with a strain sensor
  • FIG. 2 shows the strain sensor in an enlarged detail view II according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the strain sensor
  • FIG. 4 in a representation according to FIG. 2, a further embodiment of the
  • Fig. 1 shows schematically a piezoceramic bending transducer 1, which is provided with a strain sensor 2.
  • the bending transducer 1 shown by way of example is a so-called mono or unimorph, which comprises a piezoelectrically passive carrier 3 and a ceramic block 4 made of a piezoelectrically active material that is applied flat thereon.
  • the bending transducer 1 could also be designed in another common design, in particular as a bimorph or as a multimorph or as a trimorph.
  • a bimorph or multimorph two or more piezoceramic layers are arranged side by side without intermediate layers.
  • two piezoceramic layers are provided with a passive intermediate layer arranged between them.
  • the ceramic block 4 is preferably designed in a so-called multilayer or multilayer technology.
  • the individual layers (not shown in detail) of the ceramic block 4 are oriented to one another in this way, and the electrodes are polarized in such a way that the individual layers are deformed in the same way when a bending voltage is applied to the electrodes.
  • the multilayer technology allows - compared to a piezoceramic monoblock - the generation of higher electric fields with the same bending stress, and thus a greater deformation of the bending transducer 1.
  • the strain sensor 2 is applied to the surface 5 of the ceramic block 4 facing away from the carrier 3.
  • the strain sensor 2 comprises two flat electrodes 6 and 7, which are aligned parallel and at a distance from one another.
  • the intermediate space formed between the electrodes 6 and 7 is filled with a separating layer 8, which consists of an insulating polymer material, in particular polyimide.
  • the separating layer 8 has a substantially constant thickness D.
  • the strain sensor 2 is thus simulated in a simplified view of a plate capacitor.
  • the electrode 6 according to FIG. 2 has a relief-like volume structure 10 on its surface 9 facing the separating layer 8.
  • the volume structure 10 comprises a multiplicity of projections 11 (only two of which are shown) that extend from the electrode 6 protrude from the separating layer 8 and are embedded in it, that is to say in particular completely surrounded by the material of the separating layer 8.
  • the or each projection 11 is optionally designed in the manner of a lamella and is in particular elongated in this case in a direction perpendicular to the plane of the drawing.
  • the projection 11 is also designed in the manner of a finger, a rod or a knob and thus extends essentially one-dimensionally from the electrode 6 approximately in the direction of the electrode 7.
  • Each projection 11 extends in particular over more than half the thickness D of the separating layer 8 and is provided with a strongly curved tip 12.
  • the strain sensor 2 forms an electrical capacitor which, owing to the volume structure 10, has an increased capacitance compared to a plate capacitor of the same dimension. Furthermore, when an electrical voltage is applied to the electrodes 6 and 7, an electrical field is formed in the area of the tips 12, the strength of which is excessive compared to the areas of the separating layer 8 remote from the tips.
  • both electrodes 6 and 7 are provided with a relief-like volume structure 10, each of which has a plurality of projections 11.
  • a corresponding projection 11 of the electrode 7 is provided for each projection 11 of the electrode 6.
  • the two corresponding projections 11 are approximately flush with one another, so that their tips 12 face each other at a short distance.
  • Each protrusion 11 extends over at least one third of the thickness D of the separating layer 8.
  • the separating layer 8 has a thickness D of 13 to 20 micrometers.
  • the length of the protrusions 11, i.e. their extension in the direction perpendicular to the surface of the electrodes 6 and 7 is approximately 5 to 7 micrometers.
  • a field elevation area 13 is again formed, in which the field contributions emanating from the two peaks 12 overlap and reinforce one another.
  • both electrodes 6 and 7 are also provided with a volume structure 10 each comprising a plurality of projections 11.
  • the outgoing from the electrode 6 Protrusions 11 are arranged offset with respect to the protrusions 11 extending from the electrode 7, so that the protrusions 11 of the electrode 7 engage between the protrusions of the electrode 6 in a gear-like manner. This results in a particularly large effective capacitor area.

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Abstract

A low-cost and especially precise elongation sensor (2), especially for a piezo-ceramic flexion transducer (1), comprising a first electrode (6), a second electrode (7) distanced therefrom and an insulating separating layer (8) arranged between the electrodes (6,7). At least one electrode (6,7) has a relief-type volume structure (10) on the surface (9) thereof facing the separating layer (8).

Description

Beschreibung description
Dehnungssensor, insbesondere für einen piezokeramischen BiegewandlerStrain sensor, especially for a piezoceramic bending transducer
Die Erfindung bezieht sich auf einen Dehnungssensor, insbesondere für einen piezokeramischen Biegewandler. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen piezokeramischen Biegewandler mit einem solchen Dehnungssensor.The invention relates to a strain sensor, in particular for a piezoceramic bending transducer. The invention further relates to a piezoceramic bending transducer with such a strain sensor.
Als Dehnungssensor wird ein im Allgemeinen elektronisches Bauteil verstanden, an welchem eine Messgröße abgreifbar ist, die sich in charakteristischer Weise in Abhängigkeit der mechanischen Dehnung oder Kontraktion des Dehnungssensors verändert. Hierbei findet herkömmlicherweise z.B. ein so genannter Dehnmessstreifen Verwendung, bei welchem der dehnungsabhängige ohmsche Widerstand eines im Dehnmessstreifen enthaltenen elektrischen Leiters als Messgröße herangezogen wird. Weiterhin ist die Verwendung einer sogenannten Interdigitalstruktur als Dehnungssensor üblich. Unter dem Begriff Interdigitalstruktur wird eine zweidimensionale kapazitive Struktur mit einer dehnungsabhängigen Kapazität verstanden.A strain sensor is understood to be a generally electronic component from which a measurement variable can be tapped that changes in a characteristic manner depending on the mechanical strain or contraction of the strain sensor. Here, e.g. a so-called strain gauge use, in which the strain-dependent ohmic resistance of an electrical conductor contained in the strain gauge is used as a measurement variable. Furthermore, the use of a so-called interdigital structure as a strain sensor is common. The term interdigital structure is understood to mean a two-dimensional capacitive structure with an expansion-dependent capacitance.
Eine gebräuchliche Alternative eines Dehnungssensors ist ein so genannter Fo- liensensor,..bei dem eine Kunststofffolie nach Art eines Plattenkondensators beidseitig mit je einer Elektrode beschichtet wird. Als Messgröße dient hierbei die von der Dehnung der Folie abhängige Kapazität des Foliensensors. Ein Foliensensor ist vergleichsweise günstig herzustellen. In nachteiliger weise ist die Änderung der Kapazität bei einem herkömmlichen Foliensensor unter Dehnung nur vergleichsweise schwach, so dass eine präzise Dehnungsmessung nur mit einer empfindlichen, und im Allgemeinen deshalb vergleichsweise teueren, Messapparatur möglich ist.A common alternative to a strain sensor is a so-called film sensor, in which a plastic film is coated on both sides with an electrode in the manner of a plate capacitor. The capacitance of the film sensor, which is dependent on the stretch of the film, serves as the measurement variable. A film sensor is comparatively cheap to manufacture. The change in capacitance in a conventional film sensor under stretching is disadvantageously only comparatively weak, so that a precise strain measurement is only possible with a sensitive, and therefore generally comparatively expensive, measuring apparatus.
Ein derartiger Dehnungssensor wird insbesondere häufig bei einem piezokeramischen Biegewandler eingesetzt. Bei einem Biegewandler, wie er an sich beispielsweise aus der DE 100 17 760 C1 bekannt ist, wird der inverse oder reziproke piezoelektrische Effekt genutzt, bei dem aufgrund einer linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und den elektrischen Zuständen eines Kristalls ein äußeres elektrisches Feld eine den Kristall deformierende mechanische Spannung erzeugt. Die gängigsten piezoelektrischen Materialien werden auf der Basis des ferroelektrischen Kristalls Bleizirkonattitanat Pb (ZrxTi(i-x)) O3 hergestellt. Für die Herstellung einer piezoelektrisch aktiven Keramik wird das piezoelektrische Material in polykristalliner Form verarbeitet.Such a strain sensor is particularly often used in a piezoceramic bending transducer. In a bending transducer, as is known per se, for example, from DE 100 17 760 C1, the inverse or reciprocal piezoelectric effect is used, in which an external electric field is the cause of a linear electromechanical interaction between the mechanical and the electrical states of a crystal Crystal deforming mechanical tension generated. The most common piezoelectric materials are manufactured on the basis of the ferroelectric crystal lead zirconate titanate Pb (Zr x Ti (i- x) ) O 3 . The piezoelectric material is processed in polycrystalline form to produce a piezoelectrically active ceramic.
Ein Biegewandler besteht aus mindestens zwei Schichten, von denen mindestens eine erste Schicht piezoelektrisch aktiv ist, d.h. sich bei Anliegen einer elektrischen Spannung mechanisch verformt. Ein Biegewandler umfasst darüber hinaus oft eine passive Schicht. Wird an die erste Schicht eines piezokeramischen Biegewandlers eine elektrische Spannung angelegt, so verkürzt oder veriängert sich diese Schicht, während die passive Schicht in ihrer Länge konstant bleibt. Umfasst der Biegewandler mehrere aktive Schichten, so werden diese auf unterschiedliche Weise angesteuert, so dass sich sich auch hier das Längenverhältnis der Schichten ändert. Auf diese Weise kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verbiegung oder Verkrümmung des Biegewandlers erzeugt werden, die für Antriebs- oder Betätigungszwecke herangezogen werden kann. Biegewandler finden heutzutage insbesondere Anwendung in den Bereichen der Elektrotechnik, des Maschinenbaus, der Akustik, der Automatisierungstechnik, der Nachrichtentechnik, der Informationstechnologie und des Automobilbaus sowie in vielfältigen weiteren Einsatzgebieten.A bending transducer consists of at least two layers, of which at least a first layer is piezoelectrically active, i.e. deforms mechanically when an electrical voltage is applied. A bending transducer often also includes a passive layer. If an electrical voltage is applied to the first layer of a piezoceramic bending transducer, this layer is shortened or lengthened, while the passive layer remains constant in length. If the bending transducer comprises several active layers, these are controlled in different ways, so that the aspect ratio of the layers changes here too. In this way, a bending or curvature of the bending transducer can be generated by applying an electrical voltage, which can be used for drive or actuation purposes. Nowadays, bending transducers are used in particular in the fields of electrical engineering, mechanical engineering, acoustics, automation technology, communications technology, information technology and automotive engineering as well as in a wide range of other areas of application.
Insbesondere für Anwendungen, die eine hohe Präzision erfordern, ist es üblich, einen Biegewandler mit einem Dehnungssensor auszustatten. Der Dehnungssensor ist hierbei üblicherweise auf einer Außenfläche des Biegewandlers aufgebracht, so dass er bei einer Verbiegung des Biegewandlers je nach Biegerichtung gedehnt oder komprimiert wird. Es ist somit möglich, über die Dehnung oder Komprimierung des Dehnungssensors die Auslenkung des Biegewandlers zu ermitteln. Eine Auslenkungskontrolle ist zum Beispiel sinnvoll, um eine eventuelle thermische Verbiegung des Biegewandlers zu erkennen und gegebenenfalls zu kompensieren.Particularly for applications that require high precision, it is common to equip a bending transducer with a strain sensor. The strain sensor is usually applied to an outer surface of the bending transducer, so that it is stretched or compressed depending on the bending direction when the bending transducer is bent. It is thus possible to determine the deflection of the bending transducer by stretching or compressing the strain sensor. A deflection control is useful, for example, in order to detect a possible thermal bending of the bending transducer and, if necessary, to compensate for it.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen preisgünstigen Dehnungssensor, insbesondere für einen piezokeramischen Biegewandler anzugeben, der eine besonders präzise Bestimmung der Dehnung oder Komprimierung des Biegewandlers erlaubt. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen preisgünstigen, mit einem solchen Dehnungssensor ausgestatteten Biegewandler anzugeben.The invention is based on the object of specifying an inexpensive strain sensor, in particular for a piezoceramic bending transducer, which enables a particularly precise determination of the elongation or compression of the bending transducer allowed. The invention is also based on the object of specifying an inexpensive bending transducer equipped with such a strain sensor.
Bezüglich des Dehnungssensors wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst der Dehnungssensor eine erste Elektrode und eine von dieser beabstandete zweite Elektrode sowie eine die Elektroden trennende und gegeneinander elektrisch isolierende Trennschicht. Dabei weist mindestens eine Elektrode an ihrer der Trennschicht zugewandten Fläche eine reliefartige Volumenstruktur auf.With regard to the strain sensor, the object is achieved according to the invention by the features of claim 1. According to this, the strain sensor comprises a first electrode and a second electrode spaced from it, as well as a separating layer that separates the electrodes and is electrically insulating from one another. At least one electrode has a relief-like volume structure on its surface facing the separating layer.
Infolge der reliefartigen Volumenstruktur ist die Oberfläche, mit welcher die Elektrode an der Trennschicht anliegt, gegenüber einer planen Elektrode, vergrößert. Hierdurch wird eine im Vergleich zu einem plattenkondensatorartigen Dehnungssensor von ansonsten gleichen Abmessungen vergrößerte Kapazität erreicht. Bei einer Dehnung des Dehnungssensors ist dementsprechend auch die Kapazitätsänderung besonders groß, wodurch eine besonders präzise Messung der Dehnung möglich ist. Darüberhinaus tritt an Kanten oder Spitzen der Volumenstruktur bei Anlegen einer elektrischen Spannung ein besonders hohes elektrisches Feld auf. In diesen Feldüberhöhungsbereichen ändern sich die elektrostatischen Verhältnisse bei einer Dehnung oder Kontraktion des Dehnungssensors besonders stark. Kanten oder Spitzen der Volumenstruktur tragen somit zu einer entscheidenden Verstärkung der Kapazitätsänderung des Dehnungssensors bei dessen Dehnung oder Kontraktion bei. Unter Kanten oder Spitzen werden hierbei Bereiche der Elektrodenfläche mit besonders hoher Oberflächenkrümmung bezeichnet.As a result of the relief-like volume structure, the surface with which the electrode rests on the separating layer is enlarged compared to a flat electrode. This results in an increased capacitance compared to a plate capacitor-like strain sensor of otherwise identical dimensions. When the strain sensor is stretched, the change in capacitance is accordingly particularly large, which enables a particularly precise measurement of the strain. In addition, a particularly high electrical field occurs at the edges or tips of the volume structure when an electrical voltage is applied. The electrostatic conditions change particularly strongly in these fields where the strain sensor is stretched or contracted. Edges or tips of the volume structure thus contribute to a decisive reinforcement of the change in capacitance of the strain sensor during its stretching or contraction. Areas of the electrode surface with a particularly high surface curvature are referred to here as edges or tips.
In einer bevorzugten Ausbildung weist die Volumenstruktur mindestens einen lamellenartig oder fingerartig ausgebildeten Vorsprung auf. Bevorzugt sind eine Vielzahl solcher Vorsprünge vorgesehen, so dass die Volumenstruktur ein noppen- oder fellartiges Aussehen erhält. In dieser Ausführung ist die Oberflächenvergrößerung im Vergleich zu einer gleich großen planen Fläche besonders stark ausgeprägt. Weiterhin wird im Bereich der Spitzen der Vorsprünge eine besonders vorteilhafte Feldüberhöhung des elektrischen Felds erzeugt. Zur Verstärkung dieses Effekts weisen vorteilhafterweise beide Elektroden eine reliefartige, insbesondere mit lamellen- oder fingerartigen Vorsprüngen versehene Volumenstruktur auf. Hinsichtlich der gegenseitigen Anordnung dieser Volumenstrukturen existieren insbesondere zwei vorteilhafte Ausführungsformen. In einer ersten Ausführung ist die Volumenstruktur der beiden Elektroden derart aufeinander abgestimmt, dass zu einem oder jedem Vorsprung der ersten Elektrode ein korrespondierender Vorsprung der zweiten Elektrode vorgesehen ist, der dem ersten Vorsprung etwa fluchtend gegenübersteht. Die Spitzen dieser beiden Vorsprünge stehen hierbei mit sehr dichtem Abstand einander gegenüber, so dass sich die im Bereich beider Spitzen erzeugten Feldüberhöhungen einander überlagern und gegenseitig verstärken. In der zweiten Ausführung sind die Vorsprünge der gegenüberliegenden Elektroden versetzt zueinander angeordnet, so dass ein Vorsprung der ersten Elektrode jeweils zahnradartig zwischen benachbarte Vorsprünge der zweiten Elektrode eingreift, und umgekehrt. Hierdurch wird eine besonders hohe Kapazität erreicht. Die beiden beschriebenen Anordnungsformen der Vorsprünge können in beliebigen Mischformen miteinander kombiniert werden.In a preferred embodiment, the volume structure has at least one lamella-like or finger-like projection. A plurality of such projections are preferably provided, so that the volume structure is given a pimpled or fur-like appearance. In this version, the surface enlargement is particularly pronounced compared to a flat surface of the same size. Furthermore, a particularly advantageous field elevation of the electric field is generated in the area of the tips of the projections. To amplify this effect, both electrodes advantageously have a relief-like volume structure, in particular provided with lamellar or finger-like projections. With regard to the mutual arrangement of these volume structures, there are in particular two advantageous embodiments. In a first embodiment, the volume structure of the two electrodes is matched to one another in such a way that a corresponding projection of the second electrode is provided for each or each projection of the first electrode, which projection is approximately flush with the first projection. The tips of these two projections are at a very close distance from one another, so that the field peaks generated in the area of both tips overlap and reinforce one another. In the second embodiment, the projections of the opposing electrodes are arranged offset from one another, so that a projection of the first electrode engages like a gear between adjacent projections of the second electrode, and vice versa. A particularly high capacity is achieved in this way. The two described forms of arrangement of the projections can be combined with one another in any desired mixed forms.
Um hinsichtlich der Kapazitätsverbesserung einen guten Effekt zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die Länge des oder jeden Vorsprungs mindestens einem Drittel der Dicke oder Stärke der Trennschicht entspricht. Als Dicke der Trennschicht wird hierbei deren maximale Ausdehnung entlang einer zur Fläche der Elektroden senkrechten Richtung bezeichnet. Weiterhin ist es sowohl im Hinblick auf die elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften des Dehnungssensors vorteilhaft, wenn der oder jeder Vorsprung in die Trennschicht eingebettet ist.In order to achieve a good effect with regard to the capacity improvement, it is advantageous if the length of the or each projection corresponds to at least one third of the thickness or thickness of the separating layer. The thickness of the separating layer is hereby referred to its maximum extent along a direction perpendicular to the surface of the electrodes. Furthermore, with regard to both the electrical and the mechanical properties of the strain sensor, it is advantageous if the or each projection is embedded in the separating layer.
Die Trennschicht ist zweckmäßigerweise als Kunststofffolie oder Polymerfolie ausgeführt. Dies erlaubt eine preisgünstige und einfache Herstellung des Dehnungssensors. Eine Polymerfolie ist außerdem im Hinblick auf ihre guten dielektrischen Eigenschaften und ihre gute Elastizität vorteilhaft. Ein besonders geeignetes Material für die Trennschicht ist insbesondere Polyimid.The separating layer is expediently designed as a plastic film or polymer film. This allows inexpensive and simple manufacture of the strain sensor. A polymer film is also advantageous in terms of its good dielectric properties and good elasticity. A particularly suitable material for the separating layer is in particular polyimide.
Bezüglich des piezokeramischen Biegewandlers wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10. Danach umfasst der Biegewandler einen passiven Träger und einen darauf flächig aufgebrachten aktiven Keramikblock aus einem piezokeramischen Material, wobei die dem Träger abgewandte Fläche des Keramikblocks den erfindungsgemäßen Dehnungssensor trägt. Ein solcher Biegewandler ist vergleichsweise günstig herzustellen und erlaubt eine besonders präzise Auslenkungskontrolle.With regard to the piezoceramic bending transducer, the object is achieved according to the invention by the features of claim 10. The bending transducer then comprises one passive carrier and an active ceramic block made of a piezoceramic material which is applied flatly thereon, the surface of the ceramic block facing away from the carrier carrying the strain sensor according to the invention. Such a bending transducer is comparatively inexpensive to manufacture and allows a particularly precise deflection control.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. In it show:
Fig. 1 in einem schematischen Längsschnitt einen piezokeramischen Biegewandler mit einem Dehnungssensor, Fig. 2 in einer vergrößerten Detaildarstellung II gemäß Fig. 1 den Dehnungssensor, Fig. 3 in einer Darstellung gemäß Fig. 2 eine alternative Ausführung des Dehnungssensors und1 shows a schematic longitudinal section of a piezoceramic bending transducer with a strain sensor, FIG. 2 shows the strain sensor in an enlarged detail view II according to FIG. 1, FIG. 3 shows an alternative embodiment of the strain sensor and
Fig. 4 in einer Darstellung gemäß Fig. 2 eine weitere Ausführungsform desFig. 4 in a representation according to FIG. 2, a further embodiment of the
Dehnungssensors.Strain sensor.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Fig. 1 zeigt schematisch einen piezokeramischen Biegewandler 1 , der mit einem Dehnungssensor 2 versehen ist.Fig. 1 shows schematically a piezoceramic bending transducer 1, which is provided with a strain sensor 2.
Der beispielhaft gezeigte Biegewandler 1 ist ein so genannter Mono- oder Unimorph, der einen piezoelektrisch passiven Träger 3 und einen darauf flächig aufgebrachten Keramikblock 4 aus einem piezoelektrisch aktivem Material umfasst. Im Sinne der Erfindung könnte der Biegewandler 1 jedoch auch in einer anderen gängigen Bauform ausgebildet sein, insbesondere als Bimorph bzw. als Multimorph oder als Trimorph. Bei einem Bimorph bzw. Multimorph sind zwei oder mehr piezokeramische Lagen ohne Zwischenlagen nebeneinander angeordnet. Bei einem Trimorph sind zwei piezokeramische Lagen mit einer dazwischen angeordneten passiven Zwischenschicht vorgesehen. Der Keramikblock 4 ist bevorzugt in einer so genannten Multilayer- oder Vielschicht- technologie ausgebildet. Hierunter versteht man einen sandwichartig aus mehreren piezokeramischen Einzelschichten aufgebauten Keramikblock, wobei angrenzenden Lagen jeweils eine Elektrode zur Anlegung einer Biegespannung zwischengelagert ist. Die (nicht näher dargestellten) Einzelschichten des Keramikblocks 4 sind dabei zueinander derart orientiert, und die Elektroden sind derart gepolt, dass die Einzelschichten bei Anlegen einer Biegespannung an die Elektroden in gleicher Weise verformt werden. Die Multilayer-Technologie erlaubt - im Vergleich zu einem piezokeramischen Monoblock - die Erzeugung höherer elektrischer Felder bei gleicher Biegespannung, und damit eine stärkere Verformung des Biegewandlers 1.The bending transducer 1 shown by way of example is a so-called mono or unimorph, which comprises a piezoelectrically passive carrier 3 and a ceramic block 4 made of a piezoelectrically active material that is applied flat thereon. In the sense of the invention, however, the bending transducer 1 could also be designed in another common design, in particular as a bimorph or as a multimorph or as a trimorph. In a bimorph or multimorph, two or more piezoceramic layers are arranged side by side without intermediate layers. In the case of a trimorph, two piezoceramic layers are provided with a passive intermediate layer arranged between them. The ceramic block 4 is preferably designed in a so-called multilayer or multilayer technology. This is understood to mean a ceramic block made up of several piezoceramic individual layers in the manner of a sandwich, with adjacent layers each having an electrode for the application of a bending voltage. The individual layers (not shown in detail) of the ceramic block 4 are oriented to one another in this way, and the electrodes are polarized in such a way that the individual layers are deformed in the same way when a bending voltage is applied to the electrodes. The multilayer technology allows - compared to a piezoceramic monoblock - the generation of higher electric fields with the same bending stress, and thus a greater deformation of the bending transducer 1.
Der Dehnungssensor 2 ist auf die vom Träger 3 abgewandte Fläche 5 des Keramikblocks 4 flächig aufgebracht. Wie aus der vergrößerten Detaildarstellung gemäß Fig. 2 zu erkennen ist, umfasst der Dehnungssensor 2 zwei flächige Elektroden 6 und 7, die parallel und mit Abstand zueinander ausgerichtet sind. Der zwischen den Elektroden 6 und 7 gebildete Zwischenraum ist mit einer Trennschicht 8 ausgefüllt, die aus einem isolierenden Polymermaterial, insbesondere Polyimid, besteht. Die Trennschicht 8 weist eine im Wesentlichen konstante Dicke D auf. Der Dehnungssensor 2 ist also in vereinfachter Sichtweise einem Plattenkondensator nachgestaltet.The strain sensor 2 is applied to the surface 5 of the ceramic block 4 facing away from the carrier 3. As can be seen from the enlarged detailed illustration according to FIG. 2, the strain sensor 2 comprises two flat electrodes 6 and 7, which are aligned parallel and at a distance from one another. The intermediate space formed between the electrodes 6 and 7 is filled with a separating layer 8, which consists of an insulating polymer material, in particular polyimide. The separating layer 8 has a substantially constant thickness D. The strain sensor 2 is thus simulated in a simplified view of a plate capacitor.
Im Gegensatz zu einen gewöhnlichen Plattenkondensator trägt die Elektrode 6 gemäß Fig. 2 an ihrer der Trennschicht 8 zugewandten Fläche 9 eine reliefartige Volumenstruktur 10. Die Volumenstruktur 10 umfasst eine Vielzahl von Vorsprüngen 11 (von denen nur zwei dargestellt sind), die von der Elektrode 6 ausgehend in die Trennschicht 8 hineinragen und in diese eingebettet, d.h. insbesondere lückenlos vom Material der Trennschicht 8 umgeben, sind. Der oder jeder Vorsprung 11 ist hierbei wahlweise nach Art einer Lamelle gestaltet und ist hierbei insbesondere in einer zur Zeichnungsebene senkrechten Richtung langgestreckt ausgebildet. Wahlweise ist der Vorsprung 11 auch nach Art eines Fingers, eines Stäbchens oder einer Noppe ausgebildet und erstreckt sich somit von der Elektrode 6 im Wesentlichen eindimensional etwa in Richtung der Elektrode 7. Jeder Vorsprung 11 erstreckt sich insbesondere über mehr als die halbe Dicke D der Trennschicht 8 in diese hinein und ist mit einer stark gekrümmten Spitze 12 versehen.In contrast to a conventional plate capacitor, the electrode 6 according to FIG. 2 has a relief-like volume structure 10 on its surface 9 facing the separating layer 8. The volume structure 10 comprises a multiplicity of projections 11 (only two of which are shown) that extend from the electrode 6 protrude from the separating layer 8 and are embedded in it, that is to say in particular completely surrounded by the material of the separating layer 8. The or each projection 11 is optionally designed in the manner of a lamella and is in particular elongated in this case in a direction perpendicular to the plane of the drawing. Optionally, the projection 11 is also designed in the manner of a finger, a rod or a knob and thus extends essentially one-dimensionally from the electrode 6 approximately in the direction of the electrode 7. Each projection 11 extends in particular over more than half the thickness D of the separating layer 8 and is provided with a strongly curved tip 12.
Der Dehnungssensor 2 bildet einen elektrischen Kondensator, der infolge der Vo- lumenstruktur 10 gegenüber einem Plattenkondensator gleicher Abmessung eine erhöhte Kapazität aufweist. Des Weiteren bildet sich bei angelegter elektrischer Spannung an die Elektroden 6 und 7 im Bereich der Spitzen 12 ein elektrisches Feld aus, dessen Stärke gegenüber den spitzenfernen Bereichen der Trennschicht 8 überhöht ist. Die elektrische Feldstärke in diesem, um jede Spitze 12 herum angeordneten Feldüberhöhungsbereich 13, der in Fig. 2 schematisch durch eine gestrichelte Umrandung angedeutet ist, ist in hoch sensitiver Weise von den Umgebungsbedingungen abhängig und verändert sich bei einer Dehnung oder Kontraktion des Dehnungssensors 2 entsprechend stark.The strain sensor 2 forms an electrical capacitor which, owing to the volume structure 10, has an increased capacitance compared to a plate capacitor of the same dimension. Furthermore, when an electrical voltage is applied to the electrodes 6 and 7, an electrical field is formed in the area of the tips 12, the strength of which is excessive compared to the areas of the separating layer 8 remote from the tips. The electrical field strength in this field elevation area 13, which is arranged around each tip 12 and is indicated schematically in FIG. 2 by a dashed outline, is highly sensitive to the ambient conditions and changes correspondingly strongly when the strain sensor 2 expands or contracts ,
In Fig. 3 ist eine Variante des Dehnungssensors 2 dargestellt. Diese Ausführung zeichnet sich dadurch aus, dass beide Elektroden 6 und 7 mit einer reliefartigen Volumenstruktur 10 versehen ist, die jeweils eine Vielzahl von Vorsprüngen 11 aufweist. Hierbei ist zu jedem Vorsprung 11 der Elektrode 6 ein korrespondierender Vorsprung 11 der Elektrode 7 vorgesehen. Die beiden korrespondierenden Vorsprünge 11 stehen hierbei einander etwa fluchtend gegenüber, so dass ihre Spitzen 12 mit geringem Abstand einander gegenüberstehen. Jeder Vorsprung 11 erstreckt sich hierbei über mindestens ein Drittel der Dicke D der Trennschicht 8. In einer typischen, aber nicht als limitierend aufzufassenden Ausbildung weist die Trennschicht 8 eine Dicke D von 13 bis 20 Mikrometern auf. Die Länge der Vorsprünge 11 , d.h. ihre Erstreckung in zur Fläche der Elektroden 6 und 7 senkrechten Richtung, beträgt hierbei etwa 5 bis 7 Mikrometer. Zwischen den beiden Spitzen 12 der korrespondierenden Vorsprünge 11 bildet sich wiederum ein Feldüberhöhungsbereich 13 aus, in dem sich die von beiden Spitzen 12 ausgehenden Feldbeiträge überlagern und gegenseitig verstärken.3 shows a variant of the strain sensor 2. This embodiment is characterized in that both electrodes 6 and 7 are provided with a relief-like volume structure 10, each of which has a plurality of projections 11. A corresponding projection 11 of the electrode 7 is provided for each projection 11 of the electrode 6. The two corresponding projections 11 are approximately flush with one another, so that their tips 12 face each other at a short distance. Each protrusion 11 extends over at least one third of the thickness D of the separating layer 8. In a typical, but not limiting, configuration, the separating layer 8 has a thickness D of 13 to 20 micrometers. The length of the protrusions 11, i.e. their extension in the direction perpendicular to the surface of the electrodes 6 and 7 is approximately 5 to 7 micrometers. Between the two peaks 12 of the corresponding projections 11, a field elevation area 13 is again formed, in which the field contributions emanating from the two peaks 12 overlap and reinforce one another.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Dehnungssensors 2 gemäß Fig. 4 sind ebenfalls beide Elektroden 6 und 7 mit einer jeweils mehrere Vorsprünge 11 umfassenden Volumenstruktur 10 versehen. Die von der Elektrode 6 ausgehenden Vorsprünge 11 sind hierbei versetzt bezüglich den von der Elektrode 7 ausgehenden Vorsprüngen 11 angeordnet, so dass die Vorsprünge 11 der Elektrode 7 zwischen die Vorsprünge der Elektrode 6 zahnradartig eingreifen. Hierdurch wird eine besonders große effektive Kondensatorfläche erzielt. In a further embodiment of the strain sensor 2 according to FIG. 4, both electrodes 6 and 7 are also provided with a volume structure 10 each comprising a plurality of projections 11. The outgoing from the electrode 6 Protrusions 11 are arranged offset with respect to the protrusions 11 extending from the electrode 7, so that the protrusions 11 of the electrode 7 engage between the protrusions of the electrode 6 in a gear-like manner. This results in a particularly large effective capacitor area.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Biegewandlerbending transducer
Dehnungssensorstrain sensor
Trägercarrier
Keramikblockceramic block
Flächearea
Elektrodeelectrode
Elektrodeelectrode
TrennschichtInterface
Flächearea
Volumenstrukturvolume structure
Vorsprunghead Start
Spitzetop
FeldübertragungsbereichField frequency response
Dicke thickness

Claims

Ansprüche Expectations
1. Dehnungssensor (2) mit einer ersten Elektrode (6), mit einer von dieser beab- s standeten zweiten Elektrode (7) und einer zwischen den Elektroden (6,7) angeordneten isolierenden Trennschicht (8), wobei mindestens eine Elektrode (6,7) an ihrer der Trennschicht (8) zugewandten Fläche (9) eine reliefartige Volumenstruktur (10) aufweist.1. Strain sensor (2) with a first electrode (6), with a second electrode (7) at a distance from it and an insulating separating layer (8) arranged between the electrodes (6, 7), at least one electrode (6 , 7) has a relief-like volume structure (10) on its surface (9) facing the separating layer (8).
0 2. Dehnungssensor (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstruktur (10) mindestens einen lamellenartig oder fingerartig ausgebildeten Vorsprung (11 ) aufweist.2. Expansion sensor (2) according to claim 1, characterized in that the volume structure (10) has at least one lamella-like or finger-like projection (11).
s 3. Dehnungssensor (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (6,7) mit einer reliefartigen Volumenstruktur (10) versehen sind.s 3. Strain sensor (2) according to claim 1 or 2, characterized in that both electrodes (6,7) are provided with a relief-like volume structure (10).
0 4. Dehnungssensor (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstruktur (10) der Elektroden (6,7) derart aufeinander abgestimmt ist, dass zu mindestens einem Vorsprung (11 ) der ersten Elektrode (6) ein korrespondierender, diesem Vorsprung (11 ) etwa fluchtend gegenüberstehender 5 Vorsprung (11 ) der zweiten Elektrode (7) vorgesehen ist.4. Expansion sensor (2) according to claim 3, characterized in that the volume structure (10) of the electrodes (6, 7) is coordinated with one another in such a way that at least one projection (11) of the first electrode (6) has a corresponding one Projection (11) approximately 5 opposite projection (11) of the second electrode (7) is provided.
5. Dehnungssensor (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstruktur (10) der Elektroden (6,7) derart aufeinander abgestimmt 0 ist, dass ein Vorsprung (11) der ersten Elektrode (6) zahnradartig zwischen benachbarte Vorsprünge (11) der zweiten Elektrode (7) eingreift.5. Strain sensor (2) according to claim 3 or 4, characterized in that the volume structure (10) of the electrodes (6, 7) is coordinated with one another in such a way that a projection (11) of the first electrode (6) is gear-like between adjacent projections (11) of the second electrode (7) engages.
6. Dehnungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Vorsprung (11 ) mindestens ein Drittel der Dicke (D) der Trennschicht (8) durchsetzt.6. Strain sensor (2) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the or each projection (11) penetrates at least one third of the thickness (D) of the separating layer (8).
7. Dehnungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Vorsprung (11 ) in die Trennschicht (8) eingebettet ist.7. Strain sensor (2) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the or each projection (11) is embedded in the separating layer (8).
8. Dehnungswandler (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (8) eine Polymerfolie ist.8. Strain converter (2) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the separating layer (8) is a polymer film.
9. Dehnungswandler (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (8) aus Polyimid besteht.9. Strain converter (2) according to claim 8, characterized in that the separating layer (8) consists of polyimide.
0. Piezokeramischer Biegewandler (1) mit einem passiven Träger (3), einem darauf aufgebrachten aktiven Keramikblock (4), wobei die dem Träger (3) abgewandte Fläche (5) des Keramikblocks (4) einen Dehnungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 trägt. 0. Piezo-ceramic bending transducer (1) with a passive carrier (3), an active ceramic block (4) applied thereon, the surface (5) of the ceramic block (4) facing away from the carrier (3) having a strain sensor (2) according to one of the claims 1 to 7 carries.
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