WO2013135273A1 - Sensor device for sensing sound emissions - Google Patents

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WO2013135273A1
WO2013135273A1 PCT/EP2012/054362 EP2012054362W WO2013135273A1 WO 2013135273 A1 WO2013135273 A1 WO 2013135273A1 EP 2012054362 W EP2012054362 W EP 2012054362W WO 2013135273 A1 WO2013135273 A1 WO 2013135273A1
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WO
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sensor
sensor device
sensor element
electret
vibration
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PCT/EP2012/054362
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German (de)
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Inventor
Hans-Henning Klos
Dirk Scheibner
Jürgen SCHIMMER
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device for detecting acoustic emissions. Moreover, the present invention relates to a measuring arrangement.
  • Frequencies in the ultrasonic range which are also known under the term Acoustic Emission, is a useful tool for this purpose.
  • piezoelectric sensors typically manually produced are used today, which may have a broadband or a resonant characteristic aufwei ⁇ sen.
  • signal conversion usually takes place by means of an external charge amplifier.
  • piezoelectric sensors with an integrated voltage converter in the form of a FET transistor are also available. Such piezoelectric sensors are known in the audible frequency range for industrial applications.
  • the interface for connecting these sensors is known as ICP (Integrated Circuit Piezoelectric) or IEPE (Integrated Electronics Piezoelectric). This is a constant current source that feeds a few milliamps of electrical current into the sensor.
  • the sensor with integrated FET transistor acts as a variable resistor whose change is proportional to the measurement signal. Since ⁇ by an evaluation device is connected to a proportional AEN tion of the output voltage detected.
  • the evaluation devices used for condition monitoring of industrial plants usually have a connection according to the IEPE standard for external acceleration sensors.
  • Electrode and a swinging gela ⁇ to the fixed electrode second electrode.
  • the sound emissions in the object cause the second electrode to vibrate. These vibrations can be detected by the change in the electrical capacitance between the two electrodes.
  • capacitive sensors often have to be operated with a high electrical voltage.
  • they usually have a sensor output that can not be connected directly to an IEPE interface. Thus, the connection of such sensors to condition monitoring devices is difficult and possible with great effort.
  • Acoustic emissions with frequencies in the ultrasound range in an object include a fixed for mechanical coupling of the sensor device with the object relative to this arrangeable first sensor element and a relative to the first sensor element swinging second sensor element which can be excited by the sound emissions to mechanical vibrations, wherein one of the sensor elements comprises an electret and the other of the sensor elements comprises an electrically conductive material.
  • the sensor device is designed in particular as a micromechanical component.
  • micromechanical construction part are meant in particular components, whose in Abmessun ⁇ gen ranging from several ⁇ to several 100th Techno ⁇ logies are commonly used to produce these components, which are also used in microchip manufacturing. Examples of these are photolithography, thin-layer processes, wet-chemical or dry-chemical etching processes or the like. Silicon wafers are usually used here as the preferred starting material.
  • the sensor device has a fixed, first and a second sensor element which is mounted so as to be able to vibrate. As a result of the sound emissions, the second sensor element is set into mechanical vibrations.
  • One of the two sensor elements is made of an electret and the other of an electrically conductive material.
  • the electret is a dielectric-polarized, contains the duration ⁇ illustrative charge which causes a precharge of a formed by the sensor elements in ⁇ measuring capacitor.
  • a movement or mechanical oscillation of the second sensor element can bring about a change in the measuring capacity, which, given a constant charge generated by the electret, results in a change in the electrical voltage at a sensor output which is coupled to the two sensor elements.
  • the sensor device can be coupled in a simple manner with be ⁇ stationary devices for condition monitoring.
  • the sensor requires no additional power supply, as a connection via a two-wire cable is possible.
  • the sensor means comprises a low energy requirement and can be used for example for wireless An ⁇ applications.
  • the electret is easy to manufacture and is produced by processes such as plasma processes as a by-product.
  • the second sensor element comprises a vibration ⁇ element, which is suspended by means of at least one suspension element on a support member vibrationally.
  • a sol ches vibrator can also be used as seismic mass ⁇ be distinguished.
  • the vibration element is mounted with suspension ⁇ elements, which may be formed as a beam structures or as a spring bands, mounted on a support member schwingungsfähi.
  • the vibrating element and the suspension elements can be manufactured micro-technically simple, for example by wet or dry chemical processes.
  • the first sensor element, the electret and the second sensor element comprises electroconducting ⁇ hige material.
  • the electret can be easily applied to the first sensor element, which is fixed.
  • the polarization of the electret can be done thermally or by corona discharge.
  • the electret can be formed, for example, from Teflon, silicon oxide or silicon nitride.
  • the vibration element is formed entirely from the electrically conductive material.
  • the vibration element can be made, for example, from an n-doped silicon.
  • the Aufhticianungsele ⁇ ment and the support member may be made of an n-doped Sili zium.
  • the second sensor element can be easily manufactured by appropriate microtechnical etching processes or the like.
  • the electret is arranged on an opposite side of the second sensor element of the first sensor element to ⁇ . This variant of the sensor device is particularly easy to realize technologically, since the application and polarization of the electret can be done on the back or the second sensor element side facing away from the first Sensorele ⁇ ment as the last process step in the manufacture of the sensor device. Subsequently, the wafer, on which usually a plurality of the first sensor elements are arranged, are sawn. Applying a
  • Electrets on the back can also be used for existing micromechanical sensors to detect sound emissions.
  • the electret is arranged on a side of the first sensor element facing the second sensor element.
  • a clotting ⁇ ger distance between the electret and the electrically conductive material is given. The small distance results in a high electrical capacitance between the two Sen ⁇ sorelementen, which in turn increases the output signal of the sensor device.
  • Preference is given to an oxide layer for bonding the first and the second sensor element is applied to the second sensor element supplied ⁇ facing side of the first sensor element and the oxide layer is formed as the electret. If the first and the second sensor element are connected to one another by a bonding process, for example silicon direct bonding, a corresponding bonding oxide can be provided on the first sensor element. This oxide layer can be easily used by a polarization as electret.
  • the electret is on a side facing the first sensor element side of the vibration ⁇ elements arranged on the second sensor element to- facing side of the first sensor element, an electrode element is applied.
  • the electret can also be arranged on the second sensor element.
  • a corresponding metallization may be provided on the first sensor element.
  • the measuring arrangement comprises the Sensoreinrich ⁇ processing and an evaluation device which is coupled to the sensor device via a connected to a constant current source electrical lead member.
  • the produced at the output of the sensor device is AC-coupled voltage change is transmitted to the evaluation device ⁇ .
  • the sensor device is compatible with existing IEPE devices.
  • a transistor is connected between the sensor device and the electrical line element.
  • a corresponding FET transistor can be easily controlled so that the sensor device can be connected directly to an IEPE devices.
  • appropriate amplifiers can be used.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a sensor device for detecting sound emissions in the ultrasonic range
  • 3 shows a sensor device in a third embodiment
  • 4 shows a sensor device in a fourth embodiment
  • 5 shows a measuring arrangement with a sensor device.
  • FIG. 1 shows a sensor device 10 for detecting
  • the sensor device 10 can be mechanically coupled to the object.
  • the sensor device 10 may also include a corresponding housing which may be mechanically connected to the object.
  • the sensor device 10 comprises a first sensor element 12 and a second sensor element 14.
  • the first sensor element 12 is arranged fixed to the object or to a housing of the sensor device 10.
  • the second sensor element 14 is mounted oscillating relative to the first sensor element 12.
  • the second sensor element 14 is excited to produce mechanical vibrations.
  • the second sensor element 14 comprises a vibration element 42 in the form of a seismic mass.
  • the vibration element 42 is connected by means of the suspension elements 16, which may be formed as beam structures or as band structures, with a carrier element 18 schwingungsfä ⁇ hig.
  • the oscillation element 42 is mounted so as to oscillate with four beam-shaped suspension elements 16 with respect to the carrier element 18.
  • the vibration element 42, the suspension elements 16 and the carrier elements 18 are preferably made of an electrically conductive higen material, in particular made of an n-doped silicon.
  • the second sensor element 14 may be made of an n-doped silicon wafer by wet or dry chemical etching.
  • the first sensor element 12 may be formed as a carrier structure or sub ⁇ stratmaterial of a silicon or glass wafer.
  • an electret 22 is applied in the form of a coating.
  • the electret 22 is a pola ⁇ rillones dielectric which contains permanent loads.
  • the polarization of the dielectric can be done thermally or by corona discharge. The polarization can also be generated by appropriate plasma processes.
  • the electret 22 may be formed of Teflon, Teflon AF, silicon oxide or silicon nitrite, for example.
  • an electrical capacitance is formed between the electret 22 and the electrically conductive vibration element 42.
  • a movement of the vibration element 42 be ⁇ acts a change in this capacity.
  • the output voltage of the sensor device 10 may be provided on one of the support members 18, a contact element 24 in the form of a bond pad.
  • FIG. 2 shows a sensor device 10 in a further embodiment.
  • the electret 22 is arranged on the second sensor element 14 facing side 26 of the first Sensorele ⁇ element 12.
  • the electret 22 in this case has in longitudinal ⁇ and in the transverse direction substantially the same dimensions as the vibration member 42nd By the arrangement shown here, a small distance between the vibration element 42 and the electret and thus a higher Meßkapazi ⁇ ity can be achieved.
  • 3 shows the sensor device 10 in a further embodiment.
  • the electret 22 is also applied on the side facing the second sensor element 14 side 26 of the first sensor element 12 area.
  • the oxide layer that is used for bonding the first Sen ⁇ sorelements 12 and the second sensor element 14, is formed as the electret 22nd
  • the oxide layer can be polarized accordingly.
  • 4 shows the sensor device 10 in a fourth embodiment.
  • the electret 22 is arranged on a side 28 of the vibration element 42 facing the first sensor element 12.
  • an electrode element 30 is provided in the form of a metallization.
  • FIG. 5 shows a measuring arrangement 32, which includes the sensor device 10.
  • the contact element 24 of the sensor device 10 is connected to an amplifier 34.
  • the amplifier 34 may also be formed as a FET transistor.
  • the output of the amplifier 34 is connected to an evaluation device 38 via an electrical line element 36 in the form of a coaxial line.
  • the electrical conduction element 36 is connected to a constant current source 40.
  • the through the electrical line element 36, the constant current source 40, the capacitors C L and C c and the evaluation device 38 with its internal resistance R I are formed according to the IEPE standard ⁇ . In this case, a voltage change at the output of the sensor device 10 is transmitted to the evaluation device 38 in an AC-coupled manner.

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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

The invention relates to a sensor device (10) for sensing sound emissions with frequencies in the ultrasound range in an object, comprising a first sensor element (12), which can be arranged so as to be stationary in relation to the sensor device and the object for the mechanical coupling of the sensor device to the object, and comprising a second sensor element (14), which is mounted so as to oscillate in relation to the first sensor element (12) and can be induced to perform mechanical oscillations by the sound emissions, wherein one of the sensor elements (12, 14) comprises an electret (22) and the other of the sensor elements (12, 14) comprises an electrically conductive material.

Description

Beschreibung description
Sensoreinrichtung zum Erfassen von Schallemissionen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von Schallemissionen. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung eine Messanordnung. Sensor device for detecting acoustic emissions The present invention relates to a sensor device for detecting acoustic emissions. Moreover, the present invention relates to a measuring arrangement.
Die Zustandsüberwachung industrieller Anlagen gewinnt zuneh- mend an Bedeutung. Die Auswertung von Schallemissionen mitCondition monitoring of industrial plants is becoming increasingly important. The evaluation of sound emissions with
Frequenzen im Ultraschallbereich, die auch unter dem Begriff Acoustic Emission bekannt sind, ist dafür ein sinnvolles Werkzeug. In einer Reihe von Anwendungen stellt die Auswertung von Schallemissionen bzw. von Körperschall charakteris- tische Signale zur Verfügung, die einen Rückschluss auf den zu überwachenden Prozess oder das zu überwachende Objekt er¬ lauben. Beispiele hierfür sind die Überwachung von Lagern, die Überwachung von Werkzeugen oder die Korrosionserkennung. Als Sensoreinrichtungen zum Erfassen von Schallemissionen mit Frequenzen im Ultraschallbereich werden heute üblicherweise manuell hergestellte piezoelektrische Sensoren verwendet, die eine breitbandige oder eine resonante Charakteristik aufwei¬ sen können. Bei den piezoelektrischen Sensoren erfolgt die Signalwandlung meist durch einen externen Ladungsverstärker. Alternativ dazu sind auch piezoelektrische Sensoren mit einem integrierten Spannungswandler in Form eines FET-Transistors verfügbar. Solche piezoelektrischen Sensoren sind im hörbaren Frequenzbereich für industrielle Anwendungen bekannt. Frequencies in the ultrasonic range, which are also known under the term Acoustic Emission, is a useful tool for this purpose. In a number of applications, the evaluation of acoustic emissions or charac- diagram of structure-borne sound signals, the arbors a conclusion on the monitored process or to be monitored object he ¬. Examples of this are the monitoring of bearings, the monitoring of tools or corrosion detection. As a sensor means for detecting acoustic emissions having frequencies in the ultrasonic range piezoelectric sensors typically manually produced are used today, which may have a broadband or a resonant characteristic aufwei ¬ sen. In the case of the piezoelectric sensors, signal conversion usually takes place by means of an external charge amplifier. Alternatively, piezoelectric sensors with an integrated voltage converter in the form of a FET transistor are also available. Such piezoelectric sensors are known in the audible frequency range for industrial applications.
Die Schnittstelle zur Anbindung dieser Sensoren ist als ICP (Integrated Circuit Piezoelectric) oder IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric) bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Konstantstromquelle, die einen elektrischen Strom von wenigen Milliampere in den Sensor einspeist. Der Sensor mit integriertem FET-Transistor wirkt als veränderlicher Widerstand, dessen Änderung proportional zum Messsignal ist. Da¬ durch ist an einer Auswerteeinrichtung eine proportionale Än- derung der Ausgangsspannung erfassbar. Die zur Zustandsüber- wachung industrieller Anlagen verwendeten Auswerteeinrichtungen weisen üblicherweise einen Anschluss nach dem IEPE- Standard für externe Beschleunigungssensoren auf. The interface for connecting these sensors is known as ICP (Integrated Circuit Piezoelectric) or IEPE (Integrated Electronics Piezoelectric). This is a constant current source that feeds a few milliamps of electrical current into the sensor. The sensor with integrated FET transistor acts as a variable resistor whose change is proportional to the measurement signal. Since ¬ by an evaluation device is connected to a proportional AEN tion of the output voltage detected. The evaluation devices used for condition monitoring of industrial plants usually have a connection according to the IEPE standard for external acceleration sensors.
Gegenwärtig befinden sich auch mikromechanische Sensoren zur Erfassung von Schallemissionen bzw. Körperschall im Ultraschallbereich in der Entwicklung. In dem Artikel „A MEMS transducer for detection of acoustic emission events" von D. Ozevin et al . ist ein Sensor beschrieben, der mechanisch mit einem Objekt koppelbar ist. Der Sensor weist eine feste At present micromechanical sensors for the detection of sound emissions or structure-borne noise in the ultrasonic range are also under development. The article "A MEMS transducer for detection of acoustic emission events" by D. Ozevin et al., Describes a sensor which can be mechanically coupled to an object
Elektrode und eine zu der festen Elektrode schwingend gela¬ gerte zweite Elektrode auf. Durch die Schallemissionen in dem Objekt wird die zweite Elektrode in Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen können anhand der Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den beiden Elektroden erfasst werden. Solche kapazitiven Sensoren müssen oft mit einer hohen elektrischen Spannung betrieben werden. Zudem weisen sie meist einen Sensorausgang auf, der nicht direkt an eine IEPE- Schnittstelle angeschlossen werden kann. Somit ist die Anbin- dung solcher Sensoren an Geräte zur Zustandsüberwachung nur schwierig und mit großem Aufwand möglich. Electrode and a swinging gela ¬ to the fixed electrode second electrode. The sound emissions in the object cause the second electrode to vibrate. These vibrations can be detected by the change in the electrical capacitance between the two electrodes. Such capacitive sensors often have to be operated with a high electrical voltage. In addition, they usually have a sensor output that can not be connected directly to an IEPE interface. Thus, the connection of such sensors to condition monitoring devices is difficult and possible with great effort.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Schallemissionen im Ultraschallbereich bereitzustellen, die besonders einfach betrieben werden kann. Überdies soll eine entsprechende Messanord¬ nung bereitgestellt werden. It is therefore an object of the present invention to provide a sensor device for detecting sonic emissions in the ultrasonic range, which can be operated particularly easily. Moreover, a corresponding Messa North ¬ voltage to be provided.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoreinrich¬ tung gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Messanordnung gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by a Sensoreinrich ¬ device according to claim 1 and by a measuring arrangement according to claim 9. Advantageous developments of the present invention are specified in the subclaims.
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zum Erfassen von The sensor device according to the invention for detecting
Schallemissionen mit Frequenzen im Ultraschallbereich in einem Objekt umfasst ein zur mechanischen Kopplung der Sensoreinrichtung mit dem Objekt relativ zu diesem feststehend anordnenbares erstes Sensorelement und ein relativ zum ersten Sensorelement schwingend gelagertes zweites Sensorelement, welches durch die Schallemissionen zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, wobei eines der Sensorelemente ein Elektret und das andere der Sensorelemente ein elektrisch leitfähiges Material umfasst. Acoustic emissions with frequencies in the ultrasound range in an object include a fixed for mechanical coupling of the sensor device with the object relative to this arrangeable first sensor element and a relative to the first sensor element swinging second sensor element which can be excited by the sound emissions to mechanical vibrations, wherein one of the sensor elements comprises an electret and the other of the sensor elements comprises an electrically conductive material.
Die Sensoreinrichtung ist insbesondere als mikromechanisches Bauteil ausgebildet. Unter dem Begriff mikromechanisches Bau- teil sind insbesondere Bauteile zu verstehen, deren Abmessun¬ gen im Bereich von einigen bis zu mehreren 100 μπι betragen. Zur Herstellung dieser Bauteile werden üblicherweise Techno¬ logien eingesetzt, die auch in der Mikrochip-Fertigung zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind Fotolithografie, Dünn- schichtverfahren, nasschemische oder trockenchemische Ätzverfahren oder dergleichen. Als bevorzugtes Ausgangsmaterial werden hier üblicherweise Silizium-Wafer eingesetzt. The sensor device is designed in particular as a micromechanical component. The term micromechanical construction part are meant in particular components, whose in Abmessun ¬ gen ranging from several μπι to several 100th Techno ¬ logies are commonly used to produce these components, which are also used in microchip manufacturing. Examples of these are photolithography, thin-layer processes, wet-chemical or dry-chemical etching processes or the like. Silicon wafers are usually used here as the preferred starting material.
In Folge einer mechanischen Beanspruchung des Objekts entste- hen in dem Objekt Schallemissionen bzw. Körperschall. Diese Schallwellen, die sich in dem Objekt ausbreiten, können mit der Sensoreinrichtung, die mit einer Außenfläche des Objekts mechanisch gekoppelt ist, erfasst werden. Die Sensoreinrichtung weist ein feststehendes, erstes und ein zu dem ersten schwingungsfähig gelagertes, zweites Sensorelement auf. In Folge der Schallemissionen wird das zweite Sensorelement in mechanische Schwingungen versetzt. As a result of mechanical stress on the object, sound emissions or structure-borne noise arise in the object. These sound waves that propagate in the object can be detected with the sensor device, which is mechanically coupled to an outer surface of the object. The sensor device has a fixed, first and a second sensor element which is mounted so as to be able to vibrate. As a result of the sound emissions, the second sensor element is set into mechanical vibrations.
Eines der beiden Sensorelemente ist aus einem Elektret und das andere aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt. Das Elektret ist ein polarisiertes Dielektrikum, das dauer¬ hafte Ladung enthält, die eine Vorladung eines durch die bei¬ den Sensorelementen gebildeten Messkondensators bewirkt. Eine Bewegung bzw. mechanische Schwingung des zweiten Sensorele- ments kann eine Änderung der Messkapazität bewirken, die bei konstanter, durch das Elektret erzeugter Ladung, eine Änderung der elektrischen Spannung an einem Sensorausgang, der mit dem beiden Sensorelementen gekoppelt ist, zur Folge hat. Somit kann die Sensoreinrichtung auf einfache Weise mit be¬ stehenden Geräten zur Zustandsüberwachung gekoppelt werden. Des Weiteren benötigt der Sensor keine zusätzliche Spannungs Versorgung, da ein Anschluss über eine Zweidrahtleitung möglich ist. Somit weist die Sensoreinrichtung einen geringen Energiebedarf auf und kann beispielsweise für drahtlose An¬ wendungen eingesetzt werden. Zudem ist das Elektret einfach herzustellen und entsteht bei entsprechenden Prozessen, beispielsweise Plasmaprozessen, als Nebenprodukt. One of the two sensor elements is made of an electret and the other of an electrically conductive material. The electret is a dielectric-polarized, contains the duration ¬ illustrative charge which causes a precharge of a formed by the sensor elements in ¬ measuring capacitor. A movement or mechanical oscillation of the second sensor element can bring about a change in the measuring capacity, which, given a constant charge generated by the electret, results in a change in the electrical voltage at a sensor output which is coupled to the two sensor elements. Thus, the sensor device can be coupled in a simple manner with be ¬ stationary devices for condition monitoring. Furthermore, the sensor requires no additional power supply, as a connection via a two-wire cable is possible. Thus, the sensor means comprises a low energy requirement and can be used for example for wireless An ¬ applications. In addition, the electret is easy to manufacture and is produced by processes such as plasma processes as a by-product.
Bevorzugt umfasst das zweite Sensorelement ein Schwingungs¬ element, das mittels zumindest eines Aufhängungselements an einem Trägerelement schwingungsfähig aufgehängt ist. Ein sol ches Schwingungselement kann auch als seismische Masse be¬ zeichnet werden. Das Schwingungselement ist mit Aufhängungs¬ elementen, die als Balkenstrukturen oder als Federbänder aus gebildet sein können, an einem Trägerelement schwingungsfähi gelagert. Das Schwingungselement und die Aufhängungselemente können mikrotechnisch einfach, beispielsweise durch nass- oder trockenchemische Verfahren, hergestellt werden. Preferably, the second sensor element comprises a vibration ¬ element, which is suspended by means of at least one suspension element on a support member vibrationally. A sol ches vibrator can also be used as seismic mass ¬ be distinguished. The vibration element is mounted with suspension ¬ elements, which may be formed as a beam structures or as a spring bands, mounted on a support member schwingungsfähi. The vibrating element and the suspension elements can be manufactured micro-technically simple, for example by wet or dry chemical processes.
In einer Aus führungs form umfasst das erste Sensorelement das Elektret und das zweite Sensorelement das elektrisch leitfä¬ hige Material. Somit kann das Elektret einfach auf das erste Sensorelement, das feststehend ausgebildet ist, aufgebracht werden. Die Polarisierung des Elektrets kann thermisch oder durch Korona-Entladung erfolgen. Das Elektret kann zum Beispiel aus Teflon, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid gebildet sein . In one disclosed embodiment, the first sensor element, the electret and the second sensor element comprises electroconducting ¬ hige material. Thus, the electret can be easily applied to the first sensor element, which is fixed. The polarization of the electret can be done thermally or by corona discharge. The electret can be formed, for example, from Teflon, silicon oxide or silicon nitride.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Schwingungselement vollständig aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildet Das Schwingungselement kann beispielsweise aus einem n- dotierten Silizium gefertigt sein. Auch das Aufhängungsele¬ ment und das Trägerelement können aus einem n-dotierten Sili zium gefertigt sein. Somit kann das zweite Sensorelement ein fach durch entsprechende mikrotechnische Ätzverfahren oder dergleichen hergestellt werden. In einer Ausgestaltung ist das Elektret auf einer dem zweiten Sensorelement abgewandten Seite des ersten Sensorelements an¬ geordnet. Diese Variante der Sensoreinrichtung ist besonders einfach technologisch zu realisieren, da das Aufbringen und Polarisieren des Elektrets auf die Rückseite bzw. der dem zweiten Sensorelement abgewandten Seite des ersten Sensorele¬ ments als letzter Prozessschritt bei der Herstellung der Sensoreinrichtung erfolgen kann. Im Anschluss kann der Wafer, auf dem üblicherweise eine Mehrzahl der ersten Sensorelemente angeordnet sind, gesägt werden. Das Aufbringen eines In a further embodiment, the vibration element is formed entirely from the electrically conductive material. The vibration element can be made, for example, from an n-doped silicon. Also the Aufhängungsele ¬ ment and the support member may be made of an n-doped Sili zium. Thus, the second sensor element can be easily manufactured by appropriate microtechnical etching processes or the like. In one embodiment, the electret is arranged on an opposite side of the second sensor element of the first sensor element to ¬. This variant of the sensor device is particularly easy to realize technologically, since the application and polarization of the electret can be done on the back or the second sensor element side facing away from the first Sensorele ¬ ment as the last process step in the manufacture of the sensor device. Subsequently, the wafer, on which usually a plurality of the first sensor elements are arranged, are sawn. Applying a
Elektrets auf die Rückseite kann auch für bereits bestehende mikromechanische Sensoren zur Erfassung von Schallemissionen verwendet werden. Electrets on the back can also be used for existing micromechanical sensors to detect sound emissions.
In einer weiteren Aus führungs form ist das Elektret auf einer dem zweiten Sensorelement zugewandten Seite des ersten Sensorelements angeordnet. Durch diese Anordnung ist ein gerin¬ ger Abstand zwischen dem Elektret und dem elektrisch leitfä- higen Material gegeben. Durch den geringen Abstand ergibt sich eine hohe elektrische Kapazität zwischen den beiden Sen¬ sorelementen, die wiederum das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung erhöht. Bevorzugt ist dabei auf der dem zweiten Sensorelement zuge¬ wandten Seite des ersten Sensorelements eine Oxidschicht zum Bonden des ersten und dem zweiten Sensorelements aufgebracht und die Oxidschicht ist als das Elektret ausgebildet. Wenn das erste und das zweite Sensorelement durch einen Bondpro- zess, beispielsweise Silizium-Direkt-Bonden, miteinander verbunden werden, kann auf dem ersten Sensorelement ein entsprechendes Bondoxid vorgesehen sein. Diese Oxidschicht kann auf einfache Weise durch eine Polarisierung als Elektret genutzt werden . In a further embodiment, the electret is arranged on a side of the first sensor element facing the second sensor element. By this arrangement, a clotting ¬ ger distance between the electret and the electrically conductive material is given. The small distance results in a high electrical capacitance between the two Sen ¬ sorelementen, which in turn increases the output signal of the sensor device. Preference is given to an oxide layer for bonding the first and the second sensor element is applied to the second sensor element supplied ¬ facing side of the first sensor element and the oxide layer is formed as the electret. If the first and the second sensor element are connected to one another by a bonding process, for example silicon direct bonding, a corresponding bonding oxide can be provided on the first sensor element. This oxide layer can be easily used by a polarization as electret.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Elektret auf einer dem ersten Sensorelement zugewandten Seite des Schwingungs¬ elements angeordnet und auf der dem zweiten Sensorelement zu- gewandten Seite des ersten Sensorelements ist ein Elektrodenelement aufgebracht. Das Elektret kann auch an dem zweiten Sensorelement angeordnet sein. Als Gegenelektrode kann eine entsprechende Metallisierung auf dem ersten Sensorelement vorgesehen sein. In another embodiment, the electret is on a side facing the first sensor element side of the vibration ¬ elements arranged on the second sensor element to- facing side of the first sensor element, an electrode element is applied. The electret can also be arranged on the second sensor element. As a counter electrode, a corresponding metallization may be provided on the first sensor element.
Die erfindungsgemäße Messanordnung umfasst die Sensoreinrich¬ tung und eine Auswerteeinrichtung, die mit der Sensoreinrichtung über ein mit einer Konstantstromquelle verbundenes elektrisches Leitungselement gekoppelt ist. Die Messanordnung kann die Sensoreinrichtung und eine entsprechende Messeinrichtung, die nach dem IEPE-Standard ausgebildet ist, umfas¬ sen. Dabei wird die am Ausgang der Sensoreinrichtung erzeugt Spannungsänderung wechselspannungsgekoppelt an die Auswerte¬ einrichtung übertragen. Somit ist die Sensoreinrichtung kompatibel für bestehende IEPE-Geräte. The measuring arrangement according to the invention comprises the Sensoreinrich ¬ processing and an evaluation device which is coupled to the sensor device via a connected to a constant current source electrical lead member. The measuring arrangement, the sensor device and a corresponding measuring device, which is formed after the IEPE standard umfas ¬ sen. The produced at the output of the sensor device is AC-coupled voltage change is transmitted to the evaluation device ¬. Thus, the sensor device is compatible with existing IEPE devices.
Bevorzugt ist zwischen die Sensoreinrichtung und das elektrische Leitungselement ein Transistor geschaltet. Damit kann durch die Ausgangsspannung ein entsprechender FET-Transistor einfach so angesteuert werden, dass die Sensoreinrichtung direkt mit einem IEPE-Geräte verbunden werden kann. Alternativ dazu können auch entsprechende Verstärker genutzt werden. Preferably, a transistor is connected between the sensor device and the electrical line element. Thus, by the output voltage, a corresponding FET transistor can be easily controlled so that the sensor device can be connected directly to an IEPE devices. Alternatively, appropriate amplifiers can be used.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: The present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Showing:
FIG 1 eine Perspektivdarstellung einer Sensoreinrichtung zum Erfassen von Schallemissionen im Ultraschallbereich; 1 shows a perspective view of a sensor device for detecting sound emissions in the ultrasonic range;
FIG 2 eine Sensoreinrichtung in einer zweiten Ausführungsform; 2 shows a sensor device in a second embodiment;
FIG 3 eine Sensoreinrichtung in einer dritten Ausführungsform; FIG 4 eine Sensoreinrichtung in einer vierten Ausfüh- rungsform; und 3 shows a sensor device in a third embodiment; 4 shows a sensor device in a fourth embodiment; and
FIG 5 eine Messanordnung mit einer Sensoreinrichtung. 5 shows a measuring arrangement with a sensor device.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung dar. The embodiments described in more detail below represent preferred embodiments of the present invention.
FIG 1 zeigt eine Sensoreinrichtung 10 zum Erfassen von 1 shows a sensor device 10 for detecting
Schallemissionen bzw. Körperschall, die in einem hier nicht dargestellten Objekt erzeugt werden. Solche Schallemissionen werden auch als Acoustic Emission bezeichnet. Zum Erfassen dieser Schallemissionen kann die Sensoreinrichtung 10 mechanisch mit dem Objekt gekoppelt werden. Die Sensoreinrichtung 10 kann auch ein entsprechendes Gehäuse umfassen, das mit dem Objekt mechanisch verbunden werden kann. Die Sensoreinrichtung 10 umfasst ein erstes Sensorelement 12 und ein zweites Sensorelement 14. Bei einer mechanischen Kopplung der Sensoreinrichtung 10 mit dem hier nicht dargestellten Objekt ist das erste Sensorelement 12 feststehend zu dem Objekt bzw. zu einem Gehäuse der Sensoreinrichtung 10 angeordnet. Das zweite Sensorelement 14 ist relativ zu dem ersten Sensorelement 12 schwingend gelagert. Noise emissions or structure-borne noise, which are generated in an object, not shown here. Such sound emissions are also referred to as acoustic emission. For detecting these acoustic emissions, the sensor device 10 can be mechanically coupled to the object. The sensor device 10 may also include a corresponding housing which may be mechanically connected to the object. The sensor device 10 comprises a first sensor element 12 and a second sensor element 14. In a mechanical coupling of the sensor device 10 with the object not shown here, the first sensor element 12 is arranged fixed to the object or to a housing of the sensor device 10. The second sensor element 14 is mounted oscillating relative to the first sensor element 12.
Werden nun von dem Objekt Schallemissionen bzw. Körperschall ausgesendet, wird das zweite Sensorelement 14 zu mechanischen Schwingungen angeregt. Das zweite Sensorelement 14 umfasst ein Schwingungselement 42 in Form einer seismischen Masse. Das Schwingungselement 42 ist mittels der Aufhängungselemente 16, die als Balkenstrukturen oder als Bänderstrukturen ausgebildet sein können, mit einem Trägerelement 18 schwingungsfä¬ hig verbunden. Vorliegend ist das Schwingungselement 42 mit vier balkenförmigen Aufhängungselementen 16 bezüglich des Trägerelements 18 schwingend gelagert. If sound emissions or structure-borne noise are now emitted by the object, the second sensor element 14 is excited to produce mechanical vibrations. The second sensor element 14 comprises a vibration element 42 in the form of a seismic mass. The vibration element 42 is connected by means of the suspension elements 16, which may be formed as beam structures or as band structures, with a carrier element 18 schwingungsfä ¬ hig. In the present case, the oscillation element 42 is mounted so as to oscillate with four beam-shaped suspension elements 16 with respect to the carrier element 18.
Das Schwingungselement 42, die Aufhängungselemente 16 und die Trägerelemente 18 sind bevorzugt aus einem elektrisch leitfä- higen Material, insbesondere aus einem n-dotierten Silizium, gefertigt. Das zweite Sensorelement 14 kann aus einem n- dotierten Siliziumwafer durch nass- oder trockenchemische Ätzverfahren hergestellt sein. The vibration element 42, the suspension elements 16 and the carrier elements 18 are preferably made of an electrically conductive higen material, in particular made of an n-doped silicon. The second sensor element 14 may be made of an n-doped silicon wafer by wet or dry chemical etching.
Das erste Sensorelement 12 kann als Trägerstruktur bzw. Sub¬ stratmaterial aus einem Silizium- oder Glaswafer gebildet sein. Auf der dem zweiten Sensorelement 14 abgewandten Seite 20 des ersten Sensorelements 12 ist ein Elektret 22 in Form einer Beschichtung aufgebracht. Das Elektret 22 ist ein pola¬ risiertes Dielektrikum, das dauerhafte Ladungen enthält. Die Polarisierung des Dielektrikums kann thermisch oder durch Korona-Entladung erfolgen. Die Polarisierung kann auch durch entsprechende Plasmaprozesse erzeugt werden. Das Elektret 22 kann zum Beispiel aus Teflon, Teflon AF, Siliziumoxid oder Siliziumnitrit gebildet sein. The first sensor element 12 may be formed as a carrier structure or sub ¬ stratmaterial of a silicon or glass wafer. On the second sensor element 14 side facing away 20 of the first sensor element 12, an electret 22 is applied in the form of a coating. The electret 22 is a pola ¬ risiertes dielectric which contains permanent loads. The polarization of the dielectric can be done thermally or by corona discharge. The polarization can also be generated by appropriate plasma processes. The electret 22 may be formed of Teflon, Teflon AF, silicon oxide or silicon nitrite, for example.
Zwischen dem Elektret 22 und dem elektrisch leitfähig ausgebildeten Schwingungselement 42 bildet sich eine elektrische Kapazität aus. Eine Bewegung des Schwingungselements 42 be¬ wirkt eine Änderung dieser Kapazität. Bei konstanter, durch das Elektret 22 vorgegebener Ladung, entsteht eine Spannungs¬ änderung zwischen dem Elektret 22 und dem Schwingungselement 42. Zum Abgreifen der Ausgangsspannung der Sensoreinrichtung 10 kann an einem der Trägerelemente 18 ein Kontaktelement 24 in Form eines Bondpads vorgesehen sein. Between the electret 22 and the electrically conductive vibration element 42, an electrical capacitance is formed. A movement of the vibration element 42 be ¬ acts a change in this capacity. At a constant, given by the electret charge 22, a voltage ¬ change between the electret 22 and the vibration element 42. For tapping the output voltage of the sensor device 10 may be provided on one of the support members 18, a contact element 24 in the form of a bond pad.
FIG 2 zeigt eine Sensoreinrichtung 10 in einer weiteren Ausführungsform. Hierbei ist das Elektret 22 auf der dem zweiten Sensorelement 14 zugewandten Seite 26 des ersten Sensorele¬ ments 12 angeordnet. Das Elektret 22 weist dabei in Längs¬ und in Querrichtung im Wesentlichen die gleichen Abmessungen wie das Schwingungselement 42 auf. Durch die hier gezeigte Anordnung kann ein geringer Abstand zwischen dem Schwingungselement 42 und dem Elektret und somit eine höhere Messkapazi¬ tät erreicht werden. FIG 3 zeigt die Sensoreinrichtung 10 in einer weiteren Aus- führungsform. Hierbei ist das Elektret 22 ebenfalls auf der dem zweiten Sensorelement 14 zugewandten Seite 26 des ersten Sensorelements 12 flächig aufgebracht. In diesem Ausführungs- beispiel ist eine Oxidschicht, die zum Bonden des ersten Sen¬ sorelements 12 und dem zweiten Sensorelement 14 verwendet wird, als das Elektret 22 ausgebildet. Zu diesem Zweck kann die Oxidschicht entsprechend polarisiert werden. FIG 4 zeigt die Sensoreinrichtung 10 in einer vierten Ausführungsform. Bei dieser Aus führungs form ist das Elektret 22 an einer dem ersten Sensorelement 12 zugewandten Seite 28 des Schwingungselements 42 angeordnet. Auf der dem zweiten Sen¬ sorelement 14 zugewandten Seite 26 des ersten Sensorelements 12 ist ein Elektrodenelement 30 in Form einer Metallisierung vorgesehen . 2 shows a sensor device 10 in a further embodiment. In this case, the electret 22 is arranged on the second sensor element 14 facing side 26 of the first Sensorele ¬ element 12. The electret 22 in this case has in longitudinal ¬ and in the transverse direction substantially the same dimensions as the vibration member 42nd By the arrangement shown here, a small distance between the vibration element 42 and the electret and thus a higher Meßkapazi ¬ ity can be achieved. 3 shows the sensor device 10 in a further embodiment. Here, the electret 22 is also applied on the side facing the second sensor element 14 side 26 of the first sensor element 12 area. In this exemplary example is an oxide layer that is used for bonding the first Sen ¬ sorelements 12 and the second sensor element 14, is formed as the electret 22nd For this purpose, the oxide layer can be polarized accordingly. 4 shows the sensor device 10 in a fourth embodiment. In this embodiment, the electret 22 is arranged on a side 28 of the vibration element 42 facing the first sensor element 12. On the second Sen ¬ sorelement 14 facing side 26 of the first sensor element 12, an electrode element 30 is provided in the form of a metallization.
FIG 5 zeigt eine Messanordnung 32, die die Sensoreinrichtung 10 umfasst. Dabei ist das Kontaktelement 24 der Sensorein- richtung 10 mit einem Verstärker 34 verbunden. Der Verstärker 34 kann auch als FET-Transistor ausgebildet sein. Der Ausgang des Verstärkers 34 ist über ein elektrisches Leitungselement 36 in Form einer Koaxialleitung mit einer Auswerteeinrichtung 38 verbunden. Zudem ist das elektrische Leitungselement 36 mit einer Konstantstromquelle 40 verbunden. Der durch das elektrische Leitungselement 36, die Konstantstromquelle 40, die Kondensatoren CL und Cc und die Auswerteeinrichtung 38 mit ihrem Innenwiderstand RI sind nach dem IEPE-Standard aus¬ gebildet. Dabei wird eine Spannungsänderung am Ausgang der Sensoreinrichtung 10 wechselspannungsgekoppelt an die Auswerteeinrichtung 38 übertragen. Bezugszeichenliste 5 shows a measuring arrangement 32, which includes the sensor device 10. In this case, the contact element 24 of the sensor device 10 is connected to an amplifier 34. The amplifier 34 may also be formed as a FET transistor. The output of the amplifier 34 is connected to an evaluation device 38 via an electrical line element 36 in the form of a coaxial line. In addition, the electrical conduction element 36 is connected to a constant current source 40. The through the electrical line element 36, the constant current source 40, the capacitors C L and C c and the evaluation device 38 with its internal resistance R I are formed according to the IEPE standard ¬ . In this case, a voltage change at the output of the sensor device 10 is transmitted to the evaluation device 38 in an AC-coupled manner. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Sensoreinrichtung10 sensor device
12 Sensorelement 12 sensor element
14 Sensorelement  14 sensor element
16 Aufhängungselement 16 suspension element
18 Trägerelement 18 carrier element
20 Seite  20 page
22 Elektret  22 electret
24 Kontaktelement  24 contact element
26 Seite  26 page
28 Seite  28 page
30 Elektrodenelement 30 electrode element
32 Messanordnung 32 measuring arrangement
34 Verstärker  34 amplifiers
36 Leitungselement 36 line element
38 Erfassungseinrichtung38 detection device
40 Konstantstromquelle40 constant current source
42 Schwingungselement42 vibration element
Cc Kondensator C c capacitor
CL Kondensator C L capacitor
RI Widerstand R I resistance

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensoreinrichtung (10) zum Erfassen von Schallemissionen mit Frequenzen im Ultraschallbereich in einem Objekt, mit ei- nem zur mechanischen Kopplung der Sensoreinrichtung (10) mit dem Objekt relativ zu diesen feststehend anordnenbaren ersten Sensorelement (12), und mit einem relativ zum ersten Sensorelement (12) schwingend gelagerten zweiten Sensorelement (14), welches durch die Schallemissionen zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, 1. Sensor device (10) for detecting sound emissions with frequencies in the ultrasonic range in an object, with a nem for mechanical coupling of the sensor device (10) with the object relative to these fixedly arranged first sensor element (12), and with a relative to the first Sensor element (12) oscillating second sensor element (14), which can be excited by the sound emissions to mechanical vibrations,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
eines der Sensorelemente (12, 14) ein Elektret (22) und das andere der Sensorelemente (12, 14) ein elektrisch leitfähiges Material umfasst. one of the sensor elements (12, 14) comprises an electret (22) and the other of the sensor elements (12, 14) comprises an electrically conductive material.
2. Sensoreinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sensorelement (14) ein Schwingungs¬ element (42) umfasst, das mittels zumindest eines Aufhän¬ gungselements (16) an einem Trägerelement (18) schwingungsfä- hig aufgehängt ist. 2. Sensor device (10) according to claim 1, characterized in that the second sensor element (14) comprises a vibration ¬ element (42) which is suspended by means of at least one suspension ¬ tion element (16) on a support member (18) vibrationally ,
3. Sensoreinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensorelement (12) das 3. Sensor device (10) according to claim 1 or 2, characterized in that the first sensor element (12) the
Elektret (22) und das zweite Sensorelement (14) das elekt- risch leitfähigen Material umfasst. Electret (22) and the second sensor element (14) comprises the electrically conductive material.
4. Sensoreinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungselement (42) vollständig aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist. 4. Sensor device (10) according to claim 2, characterized in that the vibration element (42) is completely formed from the electrically conductive material.
5. Sensoreinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektret (22) auf einer dem zweiten Sensorelement (14) abgewandten Seite (20) des ersten Sensorelements (12) angeordnet ist. 5. Sensor device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the electret (22) on a second sensor element (14) facing away from side (20) of the first sensor element (12) is arranged.
6. Sensoreinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektret (22) auf einer dem zweiten Sensorelement (14) zugewandten Seite (26) des ersten Sensorelements (12) angeordnet ist. 6. Sensor device (10) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electret (22) on a the second sensor element (14) facing side (26) of the first sensor element (12) is arranged.
7. Sensoreinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass auf der dem zweiten Sensorelement (14) zuge¬ wandten Seite (26) des ersten Sensorelements (12) eine Oxid¬ schicht zum Bonden des ersten und dem zweiten Sensorelements (12, 14) aufgebracht ist und die Oxidschicht als das Elektret (22) ausgebildet ist. 7. Sensor device (10) according to claim 6, characterized in that on the second sensor element (14) facing ¬ side (26) of the first sensor element (12) an oxide ¬ layer for bonding the first and the second sensor element ( 12, 14) is applied and the oxide layer is formed as the electret (22).
8. Sensoreinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektret (22) auf einer dem ersten Sensorelement (12) zugewandten Seite (28) des Schwingungselements (14) angeordnet ist und dass auf der dem zwei- ten Sensorelement (14) zugewandten Seite (26) des ersten Sensorelements (12) ein Elektrodenelement (30) aufgebracht ist. 8. Sensor device (10) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electret (22) on a first sensor element (12) facing side (28) of the vibration element (14) is arranged and that on the the second The sensor element (14) facing side (26) of the first sensor element (12) an electrode element (30) is applied.
9. Messanordnung (32) mit 9. measuring arrangement (32) with
- einer Sensoreinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und  - A sensor device (10) according to one of the preceding claims and
- einer Auswerteeinrichtung (38), die mit der Sensoreinrichtung (10) über ein mit einer Konstantstromquelle (40) verbundenes elektrisches Leitungselement (36) gekoppelt ist.  - An evaluation device (38) which is coupled to the sensor device (10) via a with a constant current source (40) connected to the electrical line element (36).
10. Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Sensoreinrichtung (10) und das elektrische Leitungselement (36) ein Transistor geschaltet ist. 10. Measuring arrangement according to claim 9, characterized in that between the sensor device (10) and the electrical line element (36), a transistor is connected.
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