WO2006128830A1 - Temperature sensor - Google Patents

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WO2006128830A1
WO2006128830A1 PCT/EP2006/062633 EP2006062633W WO2006128830A1 WO 2006128830 A1 WO2006128830 A1 WO 2006128830A1 EP 2006062633 W EP2006062633 W EP 2006062633W WO 2006128830 A1 WO2006128830 A1 WO 2006128830A1
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WO
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resonator
temperature
temperature sensor
resonant circuit
product
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/062633
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German (de)
French (fr)
Inventor
Niels Van Der Laag
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/32Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using change of resonant frequency of a crystal

Definitions

  • the invention relates to a temperature sensor.
  • an arrangement of the temperature sensor and a product and a method for determining a temperature of the product are indicated.
  • thermocouple The temperature of a product or an object is detected, for example, by means of a thermocouple.
  • the thermocouple is a component that consists of two different metals. At an interface between the metals, a temperature-dependent, so-called thermoelectric voltage is generated. This thermoelectric voltage is detected via an electrical line. From the detected thermoelectric voltage, the temperature of the thermocouple is determined by means of an evaluation unit. When the product and the thermocouple are in direct thermal contact with each other, the temperature of the thermocouple corresponds to the temperature of the product. Thus, the temperature of the product can be determined.
  • thermoelectric voltage electrical lines are necessary.
  • the lines are usually electrically isolated by means of plastic. Due to the low stability of the plastic, this type of temperature detection in an aggressive environment is unsuitable.
  • the aggressive environment is characterized for example by a high temperature of about 500 0 C and by a presence of reactive gases, such as oxygen.
  • the product and the thermocouple are not in direct, ie in indirect thermal contact.
  • the product emits infrared radiation that is absorbed by the thermocouple.
  • the absorbed Infrared radiation leads to heating of the thermocouple.
  • An amount of heating of the thermocouple depends on an intensity of the infrared radiation emitted by the product and absorbed by the thermocouple.
  • the intensity of infrared radiation emitted by the product depends on the temperature of the product.
  • the heating of the thermocouple depends on the temperature of the product.
  • a direct relationship can be established between the detectable thermoelectric voltage of the thermocouple and the temperature of the product.
  • thermocouple This type of temperature determination is suitable for the case where the product and the thermocouple are in optical contact with each other. This means that the infrared radiation emitted by the product can be absorbed by the thermocouple. This type of temperature determination is unsuitable for products that are optically difficult or difficult to access.
  • a BAW resonator has a capacitor structure with a first electrode layer, a further electrode layer and a piezoelectric layer with piezoelectric material arranged between the electrode layers
  • the piezoelectric material of the known BAW resonator is a langasite Resonator resonance frequency of the resonator depends on the temperature of the resonator A temperature dependence of the resonator frequency was detected in the range of + 5 0 C to + 125 0 C
  • the object of the present invention is to provide a way in which the temperature can be determined in an aggressive environment.
  • a temperature sensor comprising at least one electrical resonant circuit having at least one piezoacoustic resonator with a first electrode layer, at least one further electrode layer and at least one arranged between the electrode layers piezoelectric layer with piezoelectric material, wherein an (electromagnetic) resonant circuit resonant frequency of Resonant circuit is dependent on a (acoustic) resonator resonant frequency of the piezoacoustic resonator and the piezoelectric material of the piezoelectric layer of the piezoacoustic resonator has a langasite.
  • Temperature sensor specified for determining a temperature of the product is specified.
  • a method for determining a temperature using such a temperature sensor is also specified with the following method steps: a) emitting an electromagnetic interrogation spectrum, b) filtering out the circuit resonance frequency from the interrogation spectrum, c) receiving the filtered interrogation spectrum d) determining of the
  • Resonant circuit resonant frequency and e) determining the temperature of the resonant circuit resonant frequency.
  • the basis of the invention is the recognition that resonant piezoacoustic resonators have a temperature-dependent resonator resonant frequency.
  • the temperature dependence is not limited to low temperatures (up to 125 0 C).
  • the temperature dependence of Resonator resonance frequency is observed even at high temperatures, ie at temperatures of 500 0 C to about 1000 0 C and more.
  • Langasite is chemically stable at temperatures. This means that there is no phase transition at these temperatures.
  • langasite is also inert at these temperatures to a variety of chemicals. For example, there is no reaction with oxygen.
  • the resonator is suitable for use in an aggressive environment, especially in a very high temperature environment.
  • the resonator is part of the resonant circuit of the temperature sensor and the resonant circuit resonant frequency of the resonant circuit depends on the resonator resonant frequency of the resonator, by determining the resonant circuit resonant frequency of the resonator
  • Oscillating circuit to be closed to the temperature.
  • the temperature of an environment of the temperature sensor can be queried.
  • the environment is for example a gas or gas mixture, which is conducted past the resonator of the resonant circuit of the temperature sensor.
  • a heat transfer from the gas or gas mixture to the resonator is effected by convection.
  • the resonator is irradiated by infrared radiation emitted by a product.
  • the heat transfer to the resonator takes place by thermal radiation.
  • the heat transfer from the product to the resonator takes place by heat conduction.
  • the temperature sensor and the product are in direct thermal contact with each other or be the
  • At least the piezoacoustic resonator of the temperature sensor is Lucaskappselt.
  • the piezoacoustic resonator is arranged in a (encapsulation) envelope.
  • the envelope acts as a barrier to the gas or gas mixture. This means that the gas or gas mixture is not brought into direct contact with the resonator. There is no mass transfer with the resonator and thus no (chemical) reaction between a material of the resonator and the gas or gas mixture instead.
  • the temperature can be determined not only at high temperatures, but also in the presence of reactive gases.
  • the coating for the infrared radiation is transparent, that is, at least partially permeable.
  • the resonant circuit resonance frequency of the resonant circuit can in principle be determined by direct electrical contact of an evaluation device with the resonant circuit.
  • the determination of the resonant circuit resonant frequency is cable-bound.
  • the determination of the resonant circuit resonant frequency is wireless (wireless).
  • the evaluation and the resonant circuit are not in direct, but in indirect electrical contact with each other. Electromagnetic radiation with the resonant circuit resonance frequency is absorbed or emitted by the resonant circuit. By determining the radiated or absorbed electromagnetic radiation is closed to the resonant circuit resonant frequency and thus to the temperature.
  • the temperature sensor has at least one transmitting device for emitting an electromagnetic interrogation spectrum and at least one receiving device for receiving the
  • the electrical resonant circuit acts as an electromagnetic filter for the resonant circuit resonant frequency and the transmitting device
  • the resonant circuit and the receiving device are arranged in such a way that with the aid of the resonant circuit, the circuit resonant frequency is at least partially filtered out of the interrogation spectrum and the receiving device filtered query spectrum receives.
  • the resonator can be excited to almost undamped resonance vibrations. This means, in particular, that the resonator and the carrier body are mechanically decoupled from one another with respect to the oscillation of the resonator.
  • Carrier bodies are acoustically decoupled from each other. This is achieved, for example, with the aid of a cavity, which is incorporated in a surface of the carrier body and over which the resonator is arranged. Also conceivable is a spring connection between the resonator and the substrate, as is known, for example, as HU-49-Anorndung in connection with quartz resonators.
  • the carrier body is any substrate in question.
  • the carrier body is a ceramic substrate.
  • a ceramic material of the ceramic substrate is, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or aluminum nitride (AlN). These materials are characterized by a relatively high thermal conductivity. If the resonator and the product are indirectly connected via the support body with the relatively good heat conductive ceramic materials, there is a rapid heat conduction. The resonator and the product have the same temperature at all times. Thus, at any time, the temperature of the product can be detected very accurately.
  • the stated ceramic materials show similar good stability against an aggressive environment such as langasite. Thus, the entire structure of resonator and ceramic carrier body is suitable for use in an aggressive environment.
  • the carrier body according to a particular embodiment, a ceramic multi-layer substrate, in the volume of which at least one component of the resonant circuit is integrated.
  • the carrier body from the group HTCC (High Temperature Cofired Ceramics) - and LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) substrate is selected.
  • the sintering temperature is so low that components made of silver can be integrated in the multilayer body. Silver is particularly suitable for high-frequency applications because of its low losses.
  • the langasite of the piezoelectric layer may be polycrystalline.
  • the resonator is designed as a thin-film resonator. Individual layers are deposited as thin films (film thickness of a few microns) from the vapor phase. For this purpose, for example, chemical (chemical vapor deposition, CVD)) or physical (Physical Vapor Deposition, PVD) vapor deposition performed.
  • the physical vapor deposition is, for example, sputtering.
  • the langasite single crystals are thereby oriented, that is deposited with a preferred direction.
  • the langasite is monocrystalline.
  • a plate is cut from a larger single crystal of langasite.
  • the single-crystal plate exhibits a plate thickness of 50 .mu.m to 200 .mu.m. Larger or smaller plate thicknesses are also conceivable.
  • a lateral (area) extension of the single-crystal plate is 5.0 mm to 15.0 mm. The lateral extent is for example 10.0 mm. Larger or smaller lateral expansions are also conceivable.
  • the monocrystalline plate is provided on both sides with electrode material.
  • the electrode material is vapor-deposited. The evaporated
  • Electrode material forms the electrode layers of the piezoacoustic resonator.
  • the layer thicknesses carried a few nm.
  • a monocrystalline plate of langasite with a layer thickness of 70 microns and vapor deposited on both sides, a few nm thick electrode layers can be excited to acoustic vibrations with a resonator resonant frequency of about 20 MHz.
  • the electrode material is platinum, for example. Due to its inertness platinum is excellent for
  • the piezoelectric material is a langasite.
  • the langasite is selected in particular from the group Langasite, Langanat and / or Langatat.
  • the langasite may be a rare earth gallium silicate (langasite), a rare earth gallium niobate (langanate), and rare earth gallium tantalate (langatate).
  • the temperature sensor is suitable for applications in a wide temperature range, but especially for applications at temperatures above 600 ° C. Depending on the application, a single temperature sensor may be sufficient to detect the temperature of the product. It is also conceivable, however, that several temperature sensors are used to detect the temperature of the product.
  • a plurality of temperature sensors is present. With the aid of the majority of the temperature sensors, an average temperature of the product can be determined. By means of the majority of the temperature sensors, a temperature profile of the product can also be detected.
  • each of the temperature sensors provides information about the temperature of the product at the appropriate location.
  • the temperature sensors can each have their own transmitting device and / or each have their own receiving device. According to a particular embodiment of the arrangement, the temperature sensors have a common
  • Each transmitting device and each receiving device has an antenna.
  • the transmitting device and the receiving device may have different antenna. According to a particular embodiment, the transmitting and
  • Receiving devices but at least one common antenna. As a result, a particularly simple and compact construction of the arrangement is realized.
  • the temperature sensor is suitable for applications in excess of 600 ° C.
  • the temperature sensor is suitable for temperature control of an exhaust gas of a combustion process.
  • the exhaust gas temperature of an incinerator for any fuel can be controlled with the aid of the temperature sensor.
  • the incinerator is, for example, a coal-fired power plant. Also conceivable is a waste incineration plant.
  • the temperature sensor not only the temperature of the exhaust gas of a combustion process can be determined. In particular, it is also conceivable to control the temperature of a combustion process itself or the temperature of a combustion process
  • the product is a combustion chamber for burning a fuel.
  • a combustor of a gas turbine is used as the product.
  • the combustion chamber a
  • the product can be any reaction vessel.
  • One or more chemical reactions take place in the reaction vessel.
  • the chemical reactions are characterized by a certain energy balance (endothermic and exothermic reactions).
  • the temperature sensor becomes the
  • the temperature sensor can also be used in a mobile product, for example in a motor vehicle. With the aid of the temperature sensor, for example, the temperature of an engine of a motor vehicle can be detected.
  • a temperature sensor is specified which can be used in an aggressive environment and especially in the high-temperature range.
  • the temperature sensor can be used in a wide temperature range and in particular in the temperature range of over 600 ° C.
  • the temperature can be detected contactless.
  • FIG. 1 shows a piezoacoustic resonator of the temperature sensor.
  • FIGS. 2A and 2B each show a piezoacoustic resonator on a carrier body.
  • FIGS. 3A and 3B each show a resonant circuit of FIG
  • Temperature sensor with piezoacoustic resonator
  • Figure 4 shows an arrangement of a product comprising a temperature sensor with transmitting device and receiving device.
  • the temperature sensor 1 has an electrical resonant circuit 2 with a piezoacoustic resonator 10 with an electrode layer 11, a further electrode layer 12 and a piezoelectric layer 13 arranged between the electrode layers 11 and 12 (FIG. 1).
  • the piezoelectric layer 13 is a single crystal ceramic plate of langasite.
  • the plate has a plate thickness 14 of about 70 ⁇ m.
  • a lateral dimension 15 of the plate is about 1.0 mm.
  • the electrode layers 11 and 12 are made of platinum have layer thicknesses of about 5 nm.
  • the resonator 10 For manufacturing the resonator 10, a ceramic plate of a langasite single crystal is cut. This ceramic plate forms the piezoelectric layer 13. On the main surfaces of the ceramic plate, platinum is evaporated to form the electrode layers 11 and 12 of the resonator 10. With the given dimensions, the resonator 10 can be excited to acoustic vibrations with a resonator resonance frequency of about 20 MHz. The resonator 10 is arranged on a carrier body 16 such that the resonator 10 can be excited to almost undamped, acoustic oscillations with the resonator resonant frequency. The resonator 10 and the carrier body 16 are acoustically decoupled from each other.
  • the resonator 10 is arranged above a cavity 161 of the carrier body 16 (FIG. 3A).
  • the resonator 10 is arranged in the cavity 161 of the carrier body 16 (FIG. 3B).
  • the resonator 10 is arranged in a casing (encapsulation) 19.
  • the sheath 19 ensures that there is no mass transfer to the environment 30 of the resonator 10.
  • the sheath 30 and the substrate 16 form a so-called closed system.
  • the closed system allows only an energy exchange with the environment 30.
  • Mass transfer is not possible.
  • the energy exchange is possible via the substrate 16.
  • a gas for transmitting the energy is arranged in the enclosure 19. The energy exchange takes place via the gas in the envelope and over the substrate.
  • the carrier body 16 is single-layered.
  • the carrier body has a ceramic material.
  • the ceramic material is aluminum oxide.
  • the carrier body is multilayered.
  • the carrier body 16 is an LTCC substrate, in whose volume components of the resonant circuit 2 are integrated.
  • the resonator resonance frequency of the resonator 10 is temperature-dependent. With the aid of the resonator 10, an electrical resonant circuit 2 is realized.
  • Figures 3A and 3B show equivalent circuit diagrams of two possible resonant circuits 20.
  • the resonant circuit 2 each shows a specific resonant circuit resonant frequency. Due to the temperature dependence of the resonator resonance frequency, the resonant circuit resonance frequency is also temperature-dependent.
  • the resonant circuit resonance frequency of the respective resonant circuit 2 is interrogated without contact.
  • the resonant circuit 2 acts as an electromagnetic filter ( Figure 4).
  • the resonant circuit 2 is irradiated with electromagnetic radiation of an interrogation spectrum.
  • Interrogation spectrum is generated by means of a transmitting device 17.
  • the resonance resonant frequency is at least partially absorbed by the resonant circuit 2.
  • the result is a filtered query spectrum received by a receiving device 18.
  • the transmitting device 17 and the interrogator 18 each have an antenna for transmitting or receiving the interrogation spectrum. Due to the filtered resonant circuit resonant frequency is closed to the temperature of the resonator 10.
  • the temperature of a product 20 is determined.
  • the product 20 is in thermal contact with the resonator 10 of the resonant circuit 2 of the temperature sensor 1 in such a way that a heat transfer takes place by heat conduction.
  • Resonator have the same temperature at any time.
  • the product is a combustion chamber 21 of a gas turbine, in Figure 4, the combustion chamber 21 is merely indicated.
  • the temperature sensor 1 or the electrical resonant circuit 2 with the piezoacoustic resonator 10 is arranged in the combustion chamber 21 of the gas turbine.
  • the temperature inside the combustion chamber 21 is interrogated without contact.
  • the product is the engine of a motor vehicle. With the help of the temperature sensor, the temperature of the engine is detected.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

The invention relates to a temperature sensor (1) comprising at least one electric resonant circuit (2) that contains at least one piezoacoustic resonator (10). The latter comprises a first electrode layer (11), at least one additional electrode layer (12) and at least one piezoelectric layer (13) composed of piezoelectric material and positioned between the electrode layers. A resonant circuit frequency of the resonant circuit is dependent on the resonator frequency of the piezoacoustic resonator and the piezoelectric material of the piezoelectric layer in the piezoacoustic resonator contains a langasite. The invention also relates to an assembly consisting of an article (20) and at least one temperature sensor (1) for determining the temperature of the article. The invention further relates to a method for determining a temperature, comprising the following steps: a) emission of an electromagnetic interrogation spectrum; b) filtering the circuit resonant frequency from the interrogation spectrum; c) receipt of the filtered interrogation spectrum; d) determination of the circuit resonant frequency; and e) determination of the temperature from the circuit resonant frequency. The invention enables the temperature of an article, in particular an article that is not easily accessible, to be interrogated in a contactless manner. The article is for example a combustion chamber of a gas turbine or the engine of a motor vehicle.

Description

Beschreibungdescription
TEMPERATURSENSORTEMPERATURE SENSOR
Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor. Daneben werden eine Anordnung des Temperatursensors und eines Erzeugnisses und ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur des Erzeugnisses angegeben.The invention relates to a temperature sensor. In addition, an arrangement of the temperature sensor and a product and a method for determining a temperature of the product are indicated.
Die Temperatur eines Erzeugnisses bzw. eines Gegenstands wird beispielsweise mit Hilfe eines Thermoelements erfasst. Das Thermoelement ist ein Bauteil, das aus zwei verschiedenen Metallen besteht. An einer Grenzfläche zwischen den Metallen entsteht eine temperaturabhängige, so genannte thermoelektrische Spannung. Diese thermoelektrische Spannung wird über eine elektrische Leitung erfasst. Aus der erfassten thermoelektrischen Spannung wird mit Hilfe einer Auswerteeinheit die Temperatur des Thermoelements ermittelt. Stehen das Erzeugnis und das Thermoelement in direkten thermischen Kontakt miteinander, entspricht die Temperatur des Thermoelements der Temperatur des Erzeugnisses. Somit kann die Temperatur des Erzeugnisses bestimmt werden.The temperature of a product or an object is detected, for example, by means of a thermocouple. The thermocouple is a component that consists of two different metals. At an interface between the metals, a temperature-dependent, so-called thermoelectric voltage is generated. This thermoelectric voltage is detected via an electrical line. From the detected thermoelectric voltage, the temperature of the thermocouple is determined by means of an evaluation unit. When the product and the thermocouple are in direct thermal contact with each other, the temperature of the thermocouple corresponds to the temperature of the product. Thus, the temperature of the product can be determined.
Zum Erfassen der thermoelektrischen Spannung sind elektrische Leitungen notwendig. Die Leitungen sind in der Regel mit Hilfe von Kunststoff elektrisch isoliert. Wegen der geringen Stabilität des Kunststoffs ist diese Art der Temperaturerfassung in einer aggressiven Umgebung ungeeignet. Die aggressive Umgebung zeichnet sich beispielsweise durch eine hohe Temperatur von über 5000C und durch eine Gegenwart von reaktiven Gasen aus, beispielsweise Sauerstoff.To detect the thermoelectric voltage electrical lines are necessary. The lines are usually electrically isolated by means of plastic. Due to the low stability of the plastic, this type of temperature detection in an aggressive environment is unsuitable. The aggressive environment is characterized for example by a high temperature of about 500 0 C and by a presence of reactive gases, such as oxygen.
Denkbar ist auch, dass das Erzeugnis und das Thermoelement nicht in direktem, also in indirektem thermischen Kontakt stehen. Das Erzeugnis sendet beispielsweise Infrarotstrahlung aus, die vom Thermoelement absorbiert wird. Die absorbierte Infrarotstrahlung führt zur Erwärmung des Thermoelements . Eine Höhe der Erwärmung des Thermoelements hängt von einer Intensität der vom Erzeugnis abgestrahlten und vom Thermoelement absorbierten Infrarotstrahlung ab. Die Intensität der vom Erzeugnis abgestrahlten Infrarotstrahlung hängt von der Temperatur des Erzeugnisses ab. Somit hängt auch die Erwärmung des Thermoelements von der Temperatur des Erzeugnisses ab. Es kann ein direkter Zusammenhang zwischen der erfassbaren thermoelektrischen Spannung des Thermoelements und der Temperatur des Erzeugnisses hergestellt werden.It is also conceivable that the product and the thermocouple are not in direct, ie in indirect thermal contact. For example, the product emits infrared radiation that is absorbed by the thermocouple. The absorbed Infrared radiation leads to heating of the thermocouple. An amount of heating of the thermocouple depends on an intensity of the infrared radiation emitted by the product and absorbed by the thermocouple. The intensity of infrared radiation emitted by the product depends on the temperature of the product. Thus, the heating of the thermocouple depends on the temperature of the product. A direct relationship can be established between the detectable thermoelectric voltage of the thermocouple and the temperature of the product.
Diese Art der Temperaturbestimmung ist für den Fall geeignet, dass das Erzeugnis und das Thermoelement in optischem Kontakt miteinander stehen. Dies bedeutet, dass die vom Erzeugnis abgestrahlte Infrarotstrahlung vom Thermoelement absorbiert werden kann. Diese Art der Temperaturermittlung ist für solche Erzeugnisse ungeeignet, die optisch nicht oder nur schwer zugänglich sind.This type of temperature determination is suitable for the case where the product and the thermocouple are in optical contact with each other. This means that the infrared radiation emitted by the product can be absorbed by the thermocouple. This type of temperature determination is unsuitable for products that are optically difficult or difficult to access.
Aus R. C. Smythe et. al . , „Langasite, Langanite and Langagate Bulk-Wave Y-Cut Resonators", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 47, Iss. 2 (2000), Seiten 355 -360 ist ein piezoakustischer Resonator in Form eines so genannter BuIk Acoustic Wave (BAW) Resonators bekannt. Ein BAW-Resonator verfügt über eine Kondensatorstruktur mit einer ersten Elektrodenschicht, einer weiteren Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht mit piezoelektrischem Material. Das piezoelektrische Material des bekannten BAW-Resonators ist ein Langasit. Eine Resonator-Resonanzfrequenz des Resonators hängt von der Temperatur des Resonators ab. Eine Temperaturabhängigkeit der Resonator-Frequenz wurde im Bereich von + 50C bis + 1250C nachgewiesen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, wie die Temperatur in einer aggressiven Umgebung bestimmt werden kann.From RC Smythe et. al. "Langasite, Langanite and Langagate Bulk-Wave Y-Cut Resonators", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 47, Iss. 2 (2000), pp. 355-360 is a so-called piezoacoustic resonator A BAW resonator has a capacitor structure with a first electrode layer, a further electrode layer and a piezoelectric layer with piezoelectric material arranged between the electrode layers The piezoelectric material of the known BAW resonator is a langasite Resonator resonance frequency of the resonator depends on the temperature of the resonator A temperature dependence of the resonator frequency was detected in the range of + 5 0 C to + 125 0 C The object of the present invention is to provide a way in which the temperature can be determined in an aggressive environment.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Temperatursensor abgegeben, aufweisend mindestens einen elektrischen Schwingkreis mit mindestens einem piezoakustischen Resonator mit einer ersten Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren Elektrodenschicht und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht mit piezoelektrischem Material, wobei eine (elektromagnetische) Schwingkreis-Resonanzfrequenz des Schwingkreises von einer (akustischen) Resonator- Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonators abhängig ist und das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht des piezoakustischen Resonators ein Langasit aufweist .To achieve the object, a temperature sensor is dispensed, comprising at least one electrical resonant circuit having at least one piezoacoustic resonator with a first electrode layer, at least one further electrode layer and at least one arranged between the electrode layers piezoelectric layer with piezoelectric material, wherein an (electromagnetic) resonant circuit resonant frequency of Resonant circuit is dependent on a (acoustic) resonator resonant frequency of the piezoacoustic resonator and the piezoelectric material of the piezoelectric layer of the piezoacoustic resonator has a langasite.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Anordnung eines Erzeugnisses und mindestens eines derartigenTo solve the problem is also an arrangement of a product and at least one such
Temperatursensors zur Bestimmung einer Temperatur des Erzeugnisses angegeben.Temperature sensor specified for determining a temperature of the product.
Schließlich wird zur Lösung der Aufgabe auch ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur unter Verwendung eines derartigen Temperatursensors mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Aussenden eines elektromagnetischen Abfragespektrums, b) Herausfiltern der Stromkreis-Resonanzfrequenz aus dem Abfragspektrum, c) Empfangen des gefilterten Abfragespektrums d) Bestimmen derFinally, to achieve the object, a method for determining a temperature using such a temperature sensor is also specified with the following method steps: a) emitting an electromagnetic interrogation spectrum, b) filtering out the circuit resonance frequency from the interrogation spectrum, c) receiving the filtered interrogation spectrum d) determining of the
Schwingkreis-Resonanzfrequenz und e) Bestimmen der Temperatur aus der Schwingkreisresonanzfrequenz.Resonant circuit resonant frequency and e) determining the temperature of the resonant circuit resonant frequency.
Die Grundlage der Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass piezoakustische Resonatoren mit Langansiten eine temperaturabhängige Resonator-Resonanzfrequenz aufweisen. Die Temperaturabhängigkeit beschränkt sich nicht auf niedrige Temperaturen (bis 1250C) . Die Temperaturabhängigkeit der Resonator-Resonanzfrequenz wird auch bei hohen Temperaturen, also bei Temperaturen von 5000C bis über 10000C und mehr beobachtet. Langasit ist bei den Temperaturen chemisch stabil. Dies bedeutet, dass es bei diesen Temperaturen zu keiner Phasenumwandlung kommt. Darüber hinaus ist Langasit auch bei diesen Temperaturen gegenüber einer Vielzahl von Chemikalien reaktionsträge. Beispielsweise findet keine Reaktion mit Sauerstoff statt. Somit eignet sich der Resonator zum Einsatz in einer aggressiven Umgebung, insbesondere in einer Umgebung mit sehr hohen Temperaturen. Dadurch, dass der Resonator Bestandteil des Schwingkreises des Temperatursensors ist und die Schwingkreis- Resonanzfrequenz des Schwingkreises von der Resonator- Resonanzfrequenz des Resonators abhängt, kann durch die Bestimmung der Schwingkreis-Resonanzfrequenz desThe basis of the invention is the recognition that resonant piezoacoustic resonators have a temperature-dependent resonator resonant frequency. The temperature dependence is not limited to low temperatures (up to 125 0 C). The temperature dependence of Resonator resonance frequency is observed even at high temperatures, ie at temperatures of 500 0 C to about 1000 0 C and more. Langasite is chemically stable at temperatures. This means that there is no phase transition at these temperatures. In addition, langasite is also inert at these temperatures to a variety of chemicals. For example, there is no reaction with oxygen. Thus, the resonator is suitable for use in an aggressive environment, especially in a very high temperature environment. Characterized in that the resonator is part of the resonant circuit of the temperature sensor and the resonant circuit resonant frequency of the resonant circuit depends on the resonator resonant frequency of the resonator, by determining the resonant circuit resonant frequency of the resonator
Schwingkreises auf die Temperatur geschlossen werden.Oscillating circuit to be closed to the temperature.
Mit Hilfe des Temperatursensors kann die Temperatur einer Umgebung des Temperatursensors abgefragt werden. Die Umgebung ist beispielsweise ein Gas oder Gasgemisch, das am Resonator des Schwingkreises des Temperatursensors vorbeigeleitet wird. Eine Wärmeübertragung vom Gas oder Gasgemisch auf den Resonator erfolgt durch Konvektion. Denkbar ist auch, dass der Resonator von Infrarotstrahlung bestrahlt wird, die von einem Erzeugnis ausgesandt wird. Die Wärmeübertragung auf den Resonator erfolgt durch Wärmestrahlung. Insbesondere erfolgt die Wärmeübertragung vom Erzeugnis auf den Resonator durch Wärmeleitung. In einer besonderen Ausgestaltung stehen daher der Temperatursensor und das Erzeugnis in einem direkten thermischen Kontakt miteinander bzw. werden derWith the help of the temperature sensor, the temperature of an environment of the temperature sensor can be queried. The environment is for example a gas or gas mixture, which is conducted past the resonator of the resonant circuit of the temperature sensor. A heat transfer from the gas or gas mixture to the resonator is effected by convection. It is also conceivable that the resonator is irradiated by infrared radiation emitted by a product. The heat transfer to the resonator takes place by thermal radiation. In particular, the heat transfer from the product to the resonator takes place by heat conduction. In a particular embodiment, therefore, the temperature sensor and the product are in direct thermal contact with each other or be the
Temperatursensor und das Erzeugnis in einen direkten thermischen Kontakt miteinander gebracht.Temperature sensor and the product brought into direct thermal contact with each other.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest der piezoakustische Resonator des Temperatursensors eingekappselt . Der piezoakustische Resonator ist in einer (Einkappselung) Umhüllung angeordnet. Die Umhüllung fungiert als Barriere für das Gas oder Gasgemisch. Dies bedeutet, dass das Gas oder Gasgemisch nicht direkt mit dem Resonator in Kontakt gebracht wird. Es findet kein Stoffaustausch mit dem Resonator und damit keine (chemische) Reaktion zwischen einem Material des Resonators und dem Gas- oder Gasgemisch statt. Somit kann mit Hilfe des Resonators die Temperatur nicht nur bei hohem Temperaturen, sondern auch in Gegenwart von reaktiven Gasen ermittelt werden. Darüber hinaus ist mit der Einkappselung dafür gesorgt, dass das Gas oder Gasgemisch nicht am Resonator adsorbiert werden kann. Eine Adsorption würde zu einer Änderung einer Masse des Resonators und damit zu einer Änderung der Resonator-Resonanzfrequenz führen. Das Herstellen eines eindeutigen Zusammenhangs zwischen der Resonator-Resonanzfrequenz und der Temperatur wäre erschwert. Die Einkappselung derart ausgestaltet, dass eine Wärmeübertragung möglich ist. Dies bedeutet, dass dieIn a preferred embodiment, at least the piezoacoustic resonator of the temperature sensor is eingekappselt. The piezoacoustic resonator is arranged in a (encapsulation) envelope. The envelope acts as a barrier to the gas or gas mixture. This means that the gas or gas mixture is not brought into direct contact with the resonator. There is no mass transfer with the resonator and thus no (chemical) reaction between a material of the resonator and the gas or gas mixture instead. Thus, with the help of the resonator, the temperature can be determined not only at high temperatures, but also in the presence of reactive gases. In addition, with the Einkappselung ensured that the gas or gas mixture can not be adsorbed on the resonator. An adsorption would lead to a change in a mass of the resonator and thus to a change in the resonator resonance frequency. Establishing a clear relationship between the resonator resonance frequency and the temperature would be difficult. The Einkappselung designed such that a heat transfer is possible. This means that the
Umhüllung Wärme leitend mit der Umgebung und dem Resonator verbunden ist. Die Wärme wird mittelbar über die Einkapplselung von der Umgebung auf den Resonator übertragen. Für die Wärmeübertragung mittels Infrarotstrahlung ist die Umhüllung für die Infrarotstrahlung transparent, also zumindest teilweise durchlässig.Enveloping heat conductively connected to the environment and the resonator. The heat is transferred indirectly via the Einkapplselung from the environment to the resonator. For heat transfer by means of infrared radiation, the coating for the infrared radiation is transparent, that is, at least partially permeable.
Die Schwingkreis-Resonanzfrequenz des Schwingkreises kann prinzipiell durch direkten elektrischen Kontakt einer Auswerteeinrichtung mit dem Schwingkreis bestimmt werden. Die Bestimmung der Schwingkreis-Resonanzfrequenz erfolgt Kabel gebunden. Vorzugsweise erfolgt aber die Bestimmung der Schwingkreis-Resonanzfrequenz kabellos (wireless) . Die Auswerteeinrichtung und der Schwingkreis stehen nicht in direktem, sondern in indirektem elektrischen Kontakt miteinander. Elektromagnetische Strahlung mit der Schwingkreis-Resonanzfrequenz wird vom Schwingkreis absorbiert bzw. abgestrahlt. Durch Bestimmung der abgestrahlten bzw. absorbierten elektromagnetischen Strahlung wird auf die Schwingkreis-Resonanzfrequenz und damit auf die Temperatur geschlossen. Vorzugsweise wird eine Filterfunktion des Schwingkreises bzw. des piezoakustischen Resonators ausgenutzt. Es wird die Schwingkreis-Resonanzfrequenz aus einem gegebenen elektromagnetischen Spektrum herausgefiltert. Daher weist in einer besonderen Ausgestaltung der Temperatursensor mindestens eine Sendevorrichtung zum Aussenden eines elektromagnetischen Abfragespektrums und mindestens eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen desThe resonant circuit resonance frequency of the resonant circuit can in principle be determined by direct electrical contact of an evaluation device with the resonant circuit. The determination of the resonant circuit resonant frequency is cable-bound. Preferably, however, the determination of the resonant circuit resonant frequency is wireless (wireless). The evaluation and the resonant circuit are not in direct, but in indirect electrical contact with each other. Electromagnetic radiation with the resonant circuit resonance frequency is absorbed or emitted by the resonant circuit. By determining the radiated or absorbed electromagnetic radiation is closed to the resonant circuit resonant frequency and thus to the temperature. Preferably, a filter function of the resonant circuit or the piezoacoustic resonator is utilized. It turns off the resonant circuit resonance frequency a given electromagnetic spectrum filtered out. Therefore, in a particular embodiment, the temperature sensor has at least one transmitting device for emitting an electromagnetic interrogation spectrum and at least one receiving device for receiving the
Abfragespektrums auf, wobei der elektrische Schwingkreis als elektromagnetischer Filter für die Schwingkreis- Resonanzfrequenz fungiert und die Sendevorrichtung, der Schwingkreis und die Empfangsvorrichtung derart aneinander angeordnet sind, dass mit Hilfe des Schwingkreises die Stromkreis-Resonanzfrequenz zumindest teilweise aus dem Abfragespektrum herausgefiltert wird und die Empfangsvorrichtung das gefilterte Abfragespektrum empfängt.Query spectrum on, wherein the electrical resonant circuit acts as an electromagnetic filter for the resonant circuit resonant frequency and the transmitting device, the resonant circuit and the receiving device are arranged in such a way that with the aid of the resonant circuit, the circuit resonant frequency is at least partially filtered out of the interrogation spectrum and the receiving device filtered query spectrum receives.
Für die Temperaturbestimmung mit Hilfe des Temperatursensors ist es vorteilhaft, wenn der Resonator zu nahezu ungedämpften Resonanzschwingungen angeregt werden kann. Dies bedeutet insbesondere, dass der Resonator und der Trägerkörper bezüglich der Schwingung des Resonators mechanisch voneinander entkoppelt sind. Der Resonator und derFor the temperature determination by means of the temperature sensor, it is advantageous if the resonator can be excited to almost undamped resonance vibrations. This means, in particular, that the resonator and the carrier body are mechanically decoupled from one another with respect to the oscillation of the resonator. The resonator and the
Trägerkörper sind akustische voneinander entkoppelt. Dies gelingt beispielsweise mit Hilfe einer Kavität, die in einer Oberfläche des Trägerkörpers eingearbeitet ist und über der der Resonator angeordnet ist. Denkbar ist auch eine Federverbindung zwischen dem Resonator und dem Substrat, wie sie beispielsweise als HU-49-Anorndung im Zusammenhang mit Quarz-Resonatoren bekannt ist.Carrier bodies are acoustically decoupled from each other. This is achieved, for example, with the aid of a cavity, which is incorporated in a surface of the carrier body and over which the resonator is arranged. Also conceivable is a spring connection between the resonator and the substrate, as is known, for example, as HU-49-Anorndung in connection with quartz resonators.
Als Trägerkörper kommt jedes beliebige Substrat in Frage. Vorzugsweise ist der Trägerkörper ein keramisches Substrat. Ein keramischer Werkstoff des keramischen Substrats ist beispielsweise Aluminiumoxid (AI2O3) oder Aluminiumnitrid (AlN) . Diese Werkstoffe zeichnen sich durch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aus . Wenn der Resonator und das Erzeugnis mittelbar über den Trägerkörper mit den relativ gut Wärme leitenden keramischen Werkstoffen verbunden sind, erfolgt eine rasche Wärmeleitung. Der Resonator und das Erzeugnis weisen zu jeder Zeit die gleiche Temperatur auf. Somit kann zu jeder Zeit die Temperatur des Erzeugnisses sehr genau erfasst werden. Darüber hinaus zeigen die angegebenen keramischen Werkstoffe eine ähnlich gute Stabilität gegenüber einer aggressiven Umgebung wie Langasit. Somit eignet sich der gesamte Aufbau aus Resonator und keramischem Trägerkörper zur Anwendung in einer aggressiven Umgebung.The carrier body is any substrate in question. Preferably, the carrier body is a ceramic substrate. A ceramic material of the ceramic substrate is, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or aluminum nitride (AlN). These materials are characterized by a relatively high thermal conductivity. If the resonator and the product are indirectly connected via the support body with the relatively good heat conductive ceramic materials, there is a rapid heat conduction. The resonator and the product have the same temperature at all times. Thus, at any time, the temperature of the product can be detected very accurately. In addition, the stated ceramic materials show similar good stability against an aggressive environment such as langasite. Thus, the entire structure of resonator and ceramic carrier body is suitable for use in an aggressive environment.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mit Hilfe des Substrats auch noch passive elektrische Bauteile (Komponenten) des Schwingkreises realisiert werden. Derartige Komponenten sind elektrische Leitungen, Kapazitäten oder Spulen. Daher ist der Trägerkörper gemäß einer besonderen Ausgestaltung ein keramisches Mehrschichtsubstrat, in dessen Volumen zumindest eine Komponente des Schwingkreises integriert ist.It is particularly advantageous if passive electrical components (components) of the resonant circuit can also be realized with the aid of the substrate. Such components are electrical lines, capacitors or coils. Therefore, the carrier body according to a particular embodiment, a ceramic multi-layer substrate, in the volume of which at least one component of the resonant circuit is integrated.
In einer besonderen Ausgestaltung ist der Trägerkörper aus der Gruppe HTCC (High Temperature Cofired Ceramics)- und LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) -Substrat ausgewählt. Bei LTCC-Substraten ist die Sintertemperatur so niedrig, dass Komponenten aus Silber im Mehrschichtkörper integriert werden können. Silber eignet sich aufgrund der niedrigen Verluste besonders für Hochfrequenzanwendungen.In a particular embodiment, the carrier body from the group HTCC (High Temperature Cofired Ceramics) - and LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) substrate is selected. For LTCC substrates, the sintering temperature is so low that components made of silver can be integrated in the multilayer body. Silver is particularly suitable for high-frequency applications because of its low losses.
Das Langasit der piezoelektrischen Schicht kann polykristallin sein. Beispielsweise ist der Resonator als Dünnfilmresonator ausgestaltet. Einzelnen Schichten werden als dünne Filme (Filmdicke von wenigen μm) aus der Dampfphase abgeschieden. Dazu werden beispielsweise chemisches (Chemical Vapour Deposition, CVD) ) oder physikalisches (Physical Vapour Depostion, PVD) Dampfabscheiden durchgeführt. Das physikalische Dampfabscheiden ist beispielsweise Sputtern. Die Langasit-Einkristalle werden dabei orientiert, also mit einer Vorzugsrichtung abgeschieden.The langasite of the piezoelectric layer may be polycrystalline. For example, the resonator is designed as a thin-film resonator. Individual layers are deposited as thin films (film thickness of a few microns) from the vapor phase. For this purpose, for example, chemical (chemical vapor deposition, CVD)) or physical (Physical Vapor Deposition, PVD) vapor deposition performed. The physical vapor deposition is, for example, sputtering. The langasite single crystals are thereby oriented, that is deposited with a preferred direction.
In einer besonderen Ausgestaltung ist das Langasit einkristallin. Zum Herstellen des Resonators wird beispielsweise aus einem größeren Einkristall aus Langasit eine Platte geschnitten. Die einkristalline Platte weist einen Plattendicke von 50 μm bis 200 μm auf. Größere oder kleiner Plattendicken sind auch denkbar. Eine laterale (flächige) Ausdehnung der einkristallinen Platte beträgt 5,0 mm bis 15,0 mm. Die laterale Ausdehnung beträgt beispielsweise 10,0 mm. Größere oder kleiner laterale Ausdehnungen sind auch denkbar.In a particular embodiment, the langasite is monocrystalline. For producing the resonator, for example, a plate is cut from a larger single crystal of langasite. The single-crystal plate exhibits a plate thickness of 50 .mu.m to 200 .mu.m. Larger or smaller plate thicknesses are also conceivable. A lateral (area) extension of the single-crystal plate is 5.0 mm to 15.0 mm. The lateral extent is for example 10.0 mm. Larger or smaller lateral expansions are also conceivable.
Die einkristalline Platte wird beidseitig mit Elektrodenmaterial versehen. Beispielsweise wird das Elektrodenmaterial aufgedampft. Das aufgedampftThe monocrystalline plate is provided on both sides with electrode material. For example, the electrode material is vapor-deposited. The evaporated
Elektrodenmaterial bildet die Elektrodenschichten des piezoakustischen Resonators. Die Schichtdicken getragen wenige nm. Eine einkristalline Platte aus Langasit mit einer Schichtdicke von 70 μm und beidseitig aufgedampften, wenige nm dicken Elektrodenschichten ist zu akustischen Schwingungen mit einer Resonator-Resonanzfrequenz von etwa 20 MHz anregbar.Electrode material forms the electrode layers of the piezoacoustic resonator. The layer thicknesses carried a few nm. A monocrystalline plate of langasite with a layer thickness of 70 microns and vapor deposited on both sides, a few nm thick electrode layers can be excited to acoustic vibrations with a resonator resonant frequency of about 20 MHz.
Das Elektrodenmaterial ist beispielsweise Platin. Aufgrund seiner Reaktionsträgheit ist Platin hervorragend fürThe electrode material is platinum, for example. Due to its inertness platinum is excellent for
Hochtemperaturanwendungen in aggressiver Umgebung geeignet. Andere Elektrodenmaterialien sind ebenfalls denkbar, beispielsweise Legierungen verschiedener Metalle.High temperature applications in aggressive environments. Other electrode materials are also conceivable, for example alloys of different metals.
Das piezoelektrische Material ist ein Langasit. Das Langasit ist insbesondere aus der Gruppe Langasit, Langanat und/oder Langatat ausgewählt. Das Langasit kann ein Seltenerd- Galliumsilikat (Langasit) , ein Seltenerd-Galliumniobat (Langanat) und Seltenerd-Galliumtantalat (Langatat) sein. So gehören zur Langasit-Gruppe beispielsweise neben Langasit (La3Ga5SiOi4) , Neodym-Langasit (Nd3GaSSiO^) oder Praseodym- Langasit (Pr3GaSSiO^) die Langanat-Gruppe (z.B. La3Ga5,5Nbo,5θi4) und die Langatat-Gruppe (z.B. La3GaS,sTao,5O14). Mit diesen Materialien eignet sich der Temperatursensor für Anwendungen in einem weiten Temperaturbereich, insbesondere aber für Anwendungen bei Temperaturen von über 6000C. In Abhängigkeit von der Anwendung kann ein einziger Temperatursensor genügen, um die Temperatur des Erzeugnisses zu erfassen. Denkbar ist aber insbesondere auch, dass mehrere Temperatursensoren eingesetzt werden, um die Temperatur des Erzeugnisses zu erfassen. In einer besonderen Ausgestaltung der Anordnung ist daher eine Mehrzahl von Temperatursensoren vorhanden. Mit Hilfe der Mehrzahl der Temperatursensoren kann eine gemittelte Temperatur des Erzeugnisses bestimmt werden. Mit Hilfe der Mehrzahl der Temperatursensoren kann auch ein Temperaturprofil des Erzeugnisses erfasst werden.The piezoelectric material is a langasite. The langasite is selected in particular from the group Langasite, Langanat and / or Langatat. The langasite may be a rare earth gallium silicate (langasite), a rare earth gallium niobate (langanate), and rare earth gallium tantalate (langatate). So are langasite group, for example, in addition to langasite (La 3 Ga 5 SIOI 4), neodymium langasite (Nd 3 Ga S SiO ^) or praseodymium langasite (Pr 3 Ga S SiO ^) the Langanat group (eg, La 3 Ga 5 , 5 Nbo, 5 θi4) and the langatate group (eg La 3 Ga S , sTao, 5 O14). With these materials, the temperature sensor is suitable for applications in a wide temperature range, but especially for applications at temperatures above 600 ° C. Depending on the application, a single temperature sensor may be sufficient to detect the temperature of the product. It is also conceivable, however, that several temperature sensors are used to detect the temperature of the product. In a particular embodiment of the arrangement, therefore, a plurality of temperature sensors is present. With the aid of the majority of the temperature sensors, an average temperature of the product can be determined. By means of the majority of the temperature sensors, a temperature profile of the product can also be detected.
Beispielsweise sind mehrere Temperatursensoren am Erzeugnis angebracht. Jeder der Temperatursensoren liefert eine Aussage über die Temperatur des Erzeugnisses an der entsprechenden Stelle.For example, several temperature sensors are attached to the product. Each of the temperature sensors provides information about the temperature of the product at the appropriate location.
Zum kabellosen Bestimmen der Temperatur können die Temperatursensoren jeweils über eine eigene Sendevorrichtung und/oder jeweils über eine eigene Empfangsvorrichtung verfügen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Anordnung weisen die Temperatursensoren eine gemeinsameFor wireless determination of the temperature, the temperature sensors can each have their own transmitting device and / or each have their own receiving device. According to a particular embodiment of the arrangement, the temperature sensors have a common
Sendevorrichtung und/oder eine gemeinsame Empfangsvorrichtung auf. Jede Sendevorrichtung und jede Empfangsvorrichtung weist eine Antenne auf. Die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung können verschiedene Antenne aufweisen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weisen die Sende- undTransmitting device and / or a common receiving device. Each transmitting device and each receiving device has an antenna. The transmitting device and the receiving device may have different antenna. According to a particular embodiment, the transmitting and
Empfangsvorrichtungen aber zumindest eine gemeinsame Antenne auf. Dadurch ist ein besonders einfacher und kompakter Aufbau der Anordnung realisiert.Receiving devices but at least one common antenna. As a result, a particularly simple and compact construction of the arrangement is realized.
Wie bereits erwähnt, ist der Temperatursensor für Anwendungen bei von über 6000C geeignet. Somit eignet sich der Temperatursensor zur Temperaturkontrolle eines Abgases eines Verbrennungsvorgangs. Beispielsweise kann mit Hilfe des Temperatursensors die Abgastemperatur einer Verbrennungsanlage für einen beliebigen Brennstoff kontrolliert werden. Die Verbrennungsanlage ist beispielsweise ein Kohlekraftwerk. Denkbar ist auch eine Müllverbrennungsanlage . Mit dem Temperatursensor kann nicht nur die Temperatur des Abgases eines Verbrennungsvorgangs ermittelt werden. Denkbar ist insbesondere auch eine Kontrolle der Temperatur eines Verbrennungsvorgangs selbst bzw. die Temperatur einesAs already mentioned, the temperature sensor is suitable for applications in excess of 600 ° C. Thus, the temperature sensor is suitable for temperature control of an exhaust gas of a combustion process. For example, the exhaust gas temperature of an incinerator for any fuel can be controlled with the aid of the temperature sensor. The incinerator is, for example, a coal-fired power plant. Also conceivable is a waste incineration plant. With the temperature sensor, not only the temperature of the exhaust gas of a combustion process can be determined. In particular, it is also conceivable to control the temperature of a combustion process itself or the temperature of a combustion process
Erzeugnisses, in dem der Verbrennungsvorgang stattfindet. In einer besonderen Ausgestaltung der Anordnung ist daher das Erzeugnis eine Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffs. Insbesondere wird als Erzeugnis eine Brennkammer einer Gasturbine verwendet. Ebenso kann die Brennkammer eineProduct in which the combustion takes place. In a particular embodiment of the arrangement, therefore, the product is a combustion chamber for burning a fuel. In particular, a combustor of a gas turbine is used as the product. Likewise, the combustion chamber a
Brennkammer einer Müllverbrennungsanlage sein. Allgemein kann das Erzeugnis ein beliebiges Reaktionsgefäß sein. In dem Reaktionsgefäß finden eine oder mehrere chemische Reaktionen statt. Die chemischen Reaktionen zeichnen sich durch eine bestimmte Energiebilanz aus (endotherme und exotherme Reaktionen) . Der Temperatursensor wird zurBe the combustion chamber of a waste incineration plant. In general, the product can be any reaction vessel. One or more chemical reactions take place in the reaction vessel. The chemical reactions are characterized by a certain energy balance (endothermic and exothermic reactions). The temperature sensor becomes the
Temperaturkontrolle derartiger Reaktionen eingesetzt. Neben der Anwendung bei den beschriebenen stationären Erzeugnissen kann der Temperatursensor auch in einem mobilen Erzeugnis zum Einsatz kommen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Mit Hilfe des Temperatursensors kann beispielsweise die Temperatur eines Motors eines Kraftfahrzeugs erfasst werden.Temperature control of such reactions used. In addition to the application in the described stationary products, the temperature sensor can also be used in a mobile product, for example in a motor vehicle. With the aid of the temperature sensor, for example, the temperature of an engine of a motor vehicle can be detected.
Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:In summary, the following essential advantages arise with the present invention:
Es wird ein Temperatursensor angegeben, der in aggressiver Umgebung und insbesondere im Hochtemperatur-Bereich eingesetzt werden kann.A temperature sensor is specified which can be used in an aggressive environment and especially in the high-temperature range.
Der Temperatursensor ist in einem weiten Temperaturbereich und insbesondere im Temperaturbereich von über 6000C einsetzbar.The temperature sensor can be used in a wide temperature range and in particular in the temperature range of over 600 ° C.
- Die Temperatur kann berührungslos erfasst werden.- The temperature can be detected contactless.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.With reference to several embodiments and the associated figures, the invention will be described in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale figures.
Figur 1 zeigt einen piezoakustischen Resonator des Temperatursensors .FIG. 1 shows a piezoacoustic resonator of the temperature sensor.
Figur 2A und 2B zeigen jeweils einen piezoakustischen Resonator auf einem Trägerkörper.FIGS. 2A and 2B each show a piezoacoustic resonator on a carrier body.
Figur 3A und 3B zeigen jeweils einen Schwingkreis desFIGS. 3A and 3B each show a resonant circuit of FIG
Temperatursensors mit piezoakustischem Resonator.Temperature sensor with piezoacoustic resonator.
Figur 4 zeigt eine Anordnung eines Erzeugnisses, aufweisend einen Temperatursensor mit Sendevorrichtung und Empfangsvorrichtung.Figure 4 shows an arrangement of a product comprising a temperature sensor with transmitting device and receiving device.
Der Temperatursensor 1 weist einen elektrischen Schwingkreis 2 mit einem piezoakustischen Resonator 10 mit einer Elektrodenschicht 11, einer weiteren Elektrodenschicht 12 und einer zwischen den Elektrodenschichten 11 und 12 angeordnete piezoelektrische Schicht 13 auf (Figur 1) . Die piezoelektrische Schicht 13 ist eine einkristalline Keramikplatte aus Langasit. Die Platte weist eine Plattendicke 14 von etwa 70 μm auf. Eine laterale Abmessung 15 der Platte beträgt etwa 1,0 mm. Die Elektrodenschichten 11 und 12 sind aus Platin weisen Schichtdicken von etwa 5 nm auf.The temperature sensor 1 has an electrical resonant circuit 2 with a piezoacoustic resonator 10 with an electrode layer 11, a further electrode layer 12 and a piezoelectric layer 13 arranged between the electrode layers 11 and 12 (FIG. 1). The piezoelectric layer 13 is a single crystal ceramic plate of langasite. The plate has a plate thickness 14 of about 70 μm. A lateral dimension 15 of the plate is about 1.0 mm. The electrode layers 11 and 12 are made of platinum have layer thicknesses of about 5 nm.
Zum Herstellen des Resonators 10 wird eine Keramikplatte aus einem Langasit-Einkristall geschnitten. Diese Keramikplatte bildet die piezoelektrische Schicht 13. An den Hauptflächen der Keramikplatte wird Platin zur Bildung der Elektrodenschichten 11 und 12 des Resonators 10 aufgedampft. Mit den angegebenen Abmessungen ist der Resonator 10 zu akustischen Schwingungen mit einer Resonator-Resonanzfrequenz von etwa 20 MHz anregbar. Der Resonator 10 wird derart auf einem Trägerkörper 16 angeordnet, dass der Resonator 10 zu nahezu ungedämpften, akustischen Schwingungen mit der Resonator-Resonanzfrequenz angeregt werden kann. Der Resonator 10 und der Trägerkörper 16 sind akustisch voneinander entkoppelt. Dazu ist der Resonator 10 über einer Kavität 161 des Trägerkörpers 16 angeordnet (Figur 3A) . Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Resonator 10 in der Kavität 161 des Trägerkörpers 16 angeordnet (Figur 3B) . Wie in Figur 3A angedeutet, ist der Resonator 10 in einer Umhüllung (Einkappselung) 19 angeordnet. Die Umhüllung 19 sorgt dafür, dass es zu keinem Stoffaustausch mit der Umgebung 30 des Resonators 10 kommt. Die Umhüllung 30 und das Substrat 16 bilden ein so genanntes geschlossenes System. Das geschlossene System lässt lediglich einen Energieaustausch mit der Umgebung 30 zu. EinFor manufacturing the resonator 10, a ceramic plate of a langasite single crystal is cut. This ceramic plate forms the piezoelectric layer 13. On the main surfaces of the ceramic plate, platinum is evaporated to form the electrode layers 11 and 12 of the resonator 10. With the given dimensions, the resonator 10 can be excited to acoustic vibrations with a resonator resonance frequency of about 20 MHz. The resonator 10 is arranged on a carrier body 16 such that the resonator 10 can be excited to almost undamped, acoustic oscillations with the resonator resonant frequency. The resonator 10 and the carrier body 16 are acoustically decoupled from each other. For this purpose, the resonator 10 is arranged above a cavity 161 of the carrier body 16 (FIG. 3A). According to a further embodiment, the resonator 10 is arranged in the cavity 161 of the carrier body 16 (FIG. 3B). As indicated in FIG. 3A, the resonator 10 is arranged in a casing (encapsulation) 19. The sheath 19 ensures that there is no mass transfer to the environment 30 of the resonator 10. The sheath 30 and the substrate 16 form a so-called closed system. The closed system allows only an energy exchange with the environment 30. One
Stoffaustausch ist nicht möglich. Der Energieaustausch ist über das Substrat 16 möglich. In einer alternativen Ausgestaltung ist in der Umhüllung 19 ein Gas zur Übertragung der Energie angeordnet. Der Energieaustausch findet über das Gas in der Umhüllung und über das Substrat statt.Mass transfer is not possible. The energy exchange is possible via the substrate 16. In an alternative embodiment, a gas for transmitting the energy is arranged in the enclosure 19. The energy exchange takes place via the gas in the envelope and over the substrate.
In einer ersten Ausführungsform ist der Trägerkörper 16 einschichtig. Der Trägerkörper weist einen keramischen Werkstoff auf. Der keramische Werkstoff ist Aluminiumoxid. In einer weiteren Ausführungsform ist der Trägerkörper mehrschichtig. Der Trägerkörper 16 ist ein LTCC-Substrat, in dessen Volumen Komponenten des Schwingkreises 2 integriert sind.In a first embodiment, the carrier body 16 is single-layered. The carrier body has a ceramic material. The ceramic material is aluminum oxide. In a further embodiment, the carrier body is multilayered. The carrier body 16 is an LTCC substrate, in whose volume components of the resonant circuit 2 are integrated.
Die Resonator-Resonanzfrequenz des Resonators 10 ist temperaturabhängig. Mit Hilfe des Resonators 10 wird ein elektrischer Schwingkreis 2 realisiert. Figuren 3A und 3B zeigen Ersatzschaltbilder zweier möglicher Schwingkreise 20. Der Schwingkreis 2 zeigt jeweils eine bestimmte Schwingkreis- Resonanzfrequenz. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Resonator-Resonanzfrequenz ist die Schwingkreis- Resonanzfrequenz ebenfalls temperaturabhängig. Die Schwingkreis-Resonanzfrequenz des jeweiligen Schwingkreises 2 wird berührungslos abgefragt. Der Schwingkreis 2 fungiert dazu als elektromagnetischer Filter (Figur 4) . Der Schwingkreis 2 wird mit elektromagnetischer Strahlung eines Abfragespektrums bestrahlt. DasThe resonator resonance frequency of the resonator 10 is temperature-dependent. With the aid of the resonator 10, an electrical resonant circuit 2 is realized. Figures 3A and 3B show equivalent circuit diagrams of two possible resonant circuits 20. The resonant circuit 2 each shows a specific resonant circuit resonant frequency. Due to the temperature dependence of the resonator resonance frequency, the resonant circuit resonance frequency is also temperature-dependent. The resonant circuit resonance frequency of the respective resonant circuit 2 is interrogated without contact. The resonant circuit 2 acts as an electromagnetic filter (Figure 4). The resonant circuit 2 is irradiated with electromagnetic radiation of an interrogation spectrum. The
Abfragespektrum wird mit Hilfe einer Sendevorrichtung 17 erzeugt. Die Schwingkreis-Resonanzfrequenz wird vom Schwingkreis 2 zumindest teilweise absorbiert. Es resultiert ein gefiltertes Abfragespektrum, das von einer Empfangsvorrichtung 18 empfangen wird. Die Sendevorrichtung 17 und die Abfragevorrichtung 18 weisen jeweils eine Antenne zum Senden bzw. Empfangen des Abfragespektrums auf. Aufgrund der herausgefilterten Schwingkreis-Resonanzfrequenz wird auf die Temperatur des Resonators 10 geschlossen.Interrogation spectrum is generated by means of a transmitting device 17. The resonance resonant frequency is at least partially absorbed by the resonant circuit 2. The result is a filtered query spectrum received by a receiving device 18. The transmitting device 17 and the interrogator 18 each have an antenna for transmitting or receiving the interrogation spectrum. Due to the filtered resonant circuit resonant frequency is closed to the temperature of the resonator 10.
Mit Hilfe des Temperatursensors 1 wird die Temperatur eines Erzeugnisses 20 ermittelt. Das Erzeugnis 20 steht mit dem Resonator 10 des Schwingkreises 2 des Temperatursensors 1 derart im thermischen Kontakt, dass eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung erfolgt. Das Erzeugnis 20 und derWith the aid of the temperature sensor 1, the temperature of a product 20 is determined. The product 20 is in thermal contact with the resonator 10 of the resonant circuit 2 of the temperature sensor 1 in such a way that a heat transfer takes place by heat conduction. The product 20 and the
Resonator weisen zu jeder Zeit die gleich Temperatur auf.Resonator have the same temperature at any time.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Erzeugnis eine Brennkammer 21 einer Gasturbine, in Figur 4 ist die Brennkammer 21 lediglich angedeutet. Der Temperatursensor 1 bzw. der elektrische Schwingkreis 2 mit dem piezoakustischen Resonator 10 wird in der Brennkammer 21 der Gasturbine angeordnet. Die Temperatur im Inneren der Brennkammer 21 wird berührungslos abgefragt.According to a first embodiment, the product is a combustion chamber 21 of a gas turbine, in Figure 4, the combustion chamber 21 is merely indicated. The temperature sensor 1 or the electrical resonant circuit 2 with the piezoacoustic resonator 10 is arranged in the combustion chamber 21 of the gas turbine. The temperature inside the combustion chamber 21 is interrogated without contact.
Gemäß einer weiteren Aufführungsform ist das Erzeugnis der Motor eines Kraftfahrzeugs. Mit Hilfe des Temperatursensors wird die Temperatur des Motors erfasst. According to another embodiment, the product is the engine of a motor vehicle. With the help of the temperature sensor, the temperature of the engine is detected.

Claims

Patentansprüche claims
1. Temperatursensor (1), aufweisend mindestens einen elektrischen Schwingkreis (29) mit mindestens einem piezoakustischen Resonator (10) mit einer ersten Elektrodenschicht (11) , mindestens einer weiteren Elektrodenschicht (12) und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten (11, 12) angeordneten piezoelektrischen Schicht (13) mit piezoelektrischem Material, wobei eine Schwingkreis-Resonanzfrequenz des Schwingkreises (2) von einer Resonator-Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonators (10) abhängig ist und das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht (13) des piezoakustischen Resonators (10) ein Langasit aufweist.1. Temperature sensor (1), comprising at least one electrical resonant circuit (29) with at least one piezoacoustic resonator (10) with a first electrode layer (11), at least one further electrode layer (12) and at least one arranged between the electrode layers (11, 12) piezoelectric layer (13) with piezoelectric material, wherein a resonant circuit resonant frequency of the resonant circuit (2) is dependent on a resonator resonance frequency of the piezoacoustic resonator (10) and the piezoelectric material of the piezoelectric layer (13) of the piezoacoustic resonator (10) is a langasite having.
2. Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei zumindest der piezoakustische Resonator in einer Umhüllung angeordnet ist.2. Temperature sensor according to claim 1, wherein at least the piezoacoustic resonator is arranged in a sheath.
3. Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens einer Sendevorrichtung (17) zum Aussenden eines elektromagnetischen Abfragespektrums und mindestens einer Empfangsvorrichtung (18) zum Empfangen des3. Temperature sensor according to claim 1 or 2 with at least one transmitting device (17) for emitting an electromagnetic interrogation spectrum and at least one receiving device (18) for receiving the
Abfragespektrums, wobei der elektrische Schwingkreis (2) als elektromagnetischer Filter für die Schwingkreis- Resonanzfrequenz fungiert und die Sendevorrichtung (17), der Schwingkreis (12) und die Empfangsvorrichtung (18) derart aneinander angeordnet sind, dass mit Hilfe des Schwingkreises (2) die Stromkreis-Resonanzfrequenz zumindest teilweise aus dem Abfragespektrum herausgefiltert wird und die Empfangsvorrichtung (18) das gefilterte Abfragespektrum empfängt.Query spectrum, wherein the electrical resonant circuit (2) acts as an electromagnetic filter for the resonant circuit resonant frequency and the transmitting device (17), the resonant circuit (12) and the receiving device (18) are arranged in such a way that by means of the resonant circuit (2) the Circuit resonant frequency is at least partially filtered out of the interrogation spectrum and the receiving device (18) receives the filtered interrogation spectrum.
4. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Resonator (10) derart auf einem Trägerkörper (16) angeordnet ist, dass der Resonator (10) zu Schwingungen mit der Resonator-Resonanzfrequenz anregbar ist.4. Temperature sensor according to one of claims 1 to 3, wherein the resonator (10) in such a way on a carrier body (16). is arranged so that the resonator (10) is excitable to oscillations with the resonator resonant frequency.
5. Temperatursensor nach Anspruch 4, wobei der Trägerkörper 16) ein keramisches Mehrschichtsubstrat ist, in dessen5. Temperature sensor according to claim 4, wherein the carrier body 16) is a ceramic multilayer substrate, in whose
Volumen zumindest eine Komponente des Schwingkreises (2) integriert ist.Volume at least one component of the resonant circuit (2) is integrated.
6. Temperatursensor nach Anspruch 5, wobei der Trägerkörper (16) aus der Gruppe HTCC- und LTCC-Substrat ausgewählt ist .6. Temperature sensor according to claim 5, wherein the carrier body (16) from the group HTCC and LTCC substrate is selected.
7. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Langasit einkristallin ist.7. Temperature sensor according to one of claims 1 to 6, wherein the langasite is monocrystalline.
8. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Langasit aus der Gruppe Langasit, Langanat und/oder Langatat ausgewählt ist.8. Temperature sensor according to one of claims 1 to 7, wherein the langasite is selected from the group langasite, Langanat and / or Langatat.
9. Anordnung eines Erzeugnisses (20) und mindestens eines Temperatursensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bestimmung einer Temperatur des Erzeugnisses.9. Arrangement of a product (20) and at least one temperature sensor (1) according to one of claims 1 to 8 for determining a temperature of the product.
10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei das Erzeugnis (20) und der piezoakustische Resonator (10) des Temperatursensors10. Arrangement according to claim 9, wherein the product (20) and the piezoacoustic resonator (10) of the temperature sensor
(1) in direktem thermischen Kontakt miteinander stehen.(1) are in direct thermal contact with each other.
11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Mehrzahl von Temperatursensoren (1) vorhanden ist.11. Arrangement according to claim 9 or 10, wherein a plurality of temperature sensors (1) is present.
12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei die Temperatursensoren12. Arrangement according to claim 11, wherein the temperature sensors
(1) eine gemeinsame Sendevorrichtung (17) und/oder eine gemeinsame Empfangsvorrichtung (18) aufweisen.(1) have a common transmitting device (17) and / or a common receiving device (18).
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Erzeugnis (20) eine Kammer (21) und insbesondere eine Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffs ist. 13. Arrangement according to one of claims 9 to 12, wherein the product (20) is a chamber (21) and in particular a combustion chamber for burning a fuel.
14. Anordnung nach Anspruch 13, wobei der piezoakustische Resonator (10) des Temperatursensors (1) in der Kammer (21) angeordnet ist.14. Arrangement according to claim 13, wherein the piezoacoustic resonator (10) of the temperature sensor (1) in the chamber (21) is arranged.
15. Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur unter15. A method for determining a temperature below
Verwendung eines Temperatursensors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Aussenden eines elektromagnetischen Abfragespektrums, b) Herausfiltern der Stromkreis-Resonanzfrequenz aus dem Abfragspektrum, c) Empfangen des gefilterten Abfragespektrums, d) Bestimmen der Schwingkreis-Resonanzfrequenz des Schwingkreises und e) Bestimmen der Temperatur aus der Schwingkreisresonanzfrequenz.Use of a temperature sensor according to one of claims 1 to 8 with the following method steps: a) emitting an electromagnetic interrogation spectrum, b) filtering out the circuit resonant frequency from the interrogation spectrum, c) receiving the filtered interrogation spectrum, d) determining the resonant circuit resonant frequency of the resonant circuit and e ) Determining the temperature of the resonant circuit resonant frequency.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Erzeugnis (20) in thermischen Kontakt mit dem Resonator (10) gebracht wird und aufgrund der Temperatur des Resonators (10) auf die Temperatur des Erzeugnisses (20) geschlossen wird.A method according to claim 15, wherein a product (20) is brought into thermal contact with the resonator (10) and due to the temperature of the resonator (10) is closed to the temperature of the product (20).
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei als Erzeugnis eine Brennkammer einer Gasturbine verwendet wird. 17. The method of claim 16, wherein a combustor of a gas turbine is used as the product.
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