WO2018015157A1 - Vibrationssensor und verfahren zur optimierung eines piezoantriebs - Google Patents

Vibrationssensor und verfahren zur optimierung eines piezoantriebs Download PDF

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Volker Allgaier
Holger Gruhler
Dominik Fehrenbach
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Vega Grieshaber Kg
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    • G01N2009/006—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis vibrating tube, tuning fork

Definitions

  • the present invention relates to a vibration sensor GE measure the preamble of claim 1 and a method for optimizing a piezoelectric drive for such a vibration ⁇ onssensor according to claim 15.
  • Vibration sensors of various types are known from the prior art. These are used frequently as a vibration-ons level switch with a vibratable diaphragm and a drive for displacing the membrane into oscillations ⁇ supply and / or for picking up a vibration of the diaphragm and an arranged on the membrane mechanical oscillator loading known, using as Drive frequently piezoelectric elements are used.
  • Such vibration level switch are used in particular for the detection of levels or levels in containers for flowable and fluidizable media, in particular ⁇ special for liquids or bulk solids.
  • the vibrating level switches are depending on the level in the container in contact with the medium or not, so that an oscillation frequency of the membrane or of the membrane angeordne ⁇ ter mechanical oscillator is affected by the contact with the medium.
  • the piezoelectric element knows at least two electrical Kon- on. At least one first electrical contacting is applied to an upper side of the piezoelectric element and at least one second electronic contacting is applied to a lower side of the piezoelectric element.
  • clocking of the piezo element are used extensively applied metallization ⁇ implications for con-.
  • the underside of the piezoelectric element ie a surface of the piezoelectric element facing the diaphragm, as a rule contacts the entire surface while the surface of the piezoelectric element contacts either the surface of the piezoelectric element pointing away from the diaphragm or provided with a plurality of electrical Kon ⁇ taktmaschineen.
  • the upper surface of the piezoelectric element may be segmented and four times it may vary ⁇ wells two diagonally opposite segments arranged to be ge ⁇ jointly electrically contacted.
  • a voltage is generated for detection, which is proportional to a curvature of the piezoelectric element.
  • an applied voltage is converted into an applied voltage proportional curvature of the piezoelectric element.
  • the piezo elements are typically designed disk-shaped and have ⁇ based on the manufacturing technology used usually a circular base.
  • the underside of the piezoelectric element is typi ⁇ cally contacted contact surface over the entire surface.
  • An inventive vibration sensor with a stimulable a piezoelectric actuator to oscillate ran Memb ⁇ and for detecting vibrations of the diaphragm includes a arranged on the membrane mechanical oscillator and at least one piezoelectric element having at least a first electrical contact with an upper surface of the piezoelectric element and at least one second electrical contacting a Bottom of the piezoelectric element and is characterized in that the at least one piezoelectric element is designed such that an effective surface of the piezoelectric element corresponds to a surface of a mechanical deformation rectified curvature of the membrane at a predetermined eigenmode of the mechanical vibrator.
  • the mechanical oscillators arranged on the membrane can be designed in different ways and each have a plurality of different eigenmodes.
  • An eigenmode occurs in each case at an underlying by the geometric design of the vibration system pregiven ⁇ resonant frequency, wherein the resonant frequencies of the different eigenmodes differ from each other.
  • vibration sensors exis ⁇ animals preferred eigenmodes the example is.
  • Characterized auszeich ⁇ nen that these optimized with respect to a force and / or moment ⁇ transfer to a process connection, by means of which the Vibra ⁇ tion sensor is arranged in a container, are.
  • eigenmodes and corresponding resonant frequencies are preferred in which a force and torque transmission is minimal.
  • the area for the detection of a piezoelectric element As an effective surface of the piezoelectric element is understood in the present application, the area for the detection of a
  • Vibration of the membrane and / or for transmitting a vibra ⁇ tion is used on the membrane by means of the piezoelectric effect.
  • the inventors of the present invention have found that, due to the fact that a piezoelectric voltage generated by the piezoelectric elements used is proportional to a curvature of the piezoelectric element in all vibra ⁇ tion systems both positive and negativedersungsan ⁇ parts are superimposed and thus achievable Sig ⁇ nalamplitude is reduced.
  • One reason why the positive and negative signal components is that the Memb ⁇ used has ran at a vibration of the mechanical oscillator both positive and negative curvature portions, which are tapped at the vibration sensors of the prior art and is superimposed on the signal.
  • the present invention is thus based on the idea to use ⁇ finally rectified signal components for Signalauswer ⁇ tion and also to put only the portions of the membrane in vibration, which deform in the predetermined eigenmode or the resonant frequency corresponding thereto in the same direction.
  • ⁇ finally rectified signal components for Signalauswer ⁇ tion and also to put only the portions of the membrane in vibration, which deform in the predetermined eigenmode or the resonant frequency corresponding thereto in the same direction.
  • a restriction of the effective area of the piezoelectric element to a surface of a mechanical deformation of rectified curvature of the membrane can be effected, for example, by the fact that th one of the electrical contacts is adapted and having a surface which substantially corresponds to an area of the rectified curvature of the forming at the predetermined egg ⁇ genmode of the mechanical oscillator deformation of the diaphragm.
  • an outer ⁇ contour of the surface extends along a line of curvature change of the membrane at the predetermined eigenmode.
  • the first contact is adapted and applied the second contacting substantially the entire surface of the underside of the piezoelectric element.
  • the electrical contacting of the piezo element can be realized by metallization of a surface of the piezoelectric element be ⁇ Sonder's easy.
  • Corresponding Metallisierun ⁇ gen by selectively coating process or Be easily manufactured aid of photolithographic methods, for example, on the semi-conductor industry ⁇ are well known. And realized kos ⁇ -effectively.
  • An optimization of the achievable signal amplitude or oscillations ⁇ supply amplitude can be achieved if ment with a piezo element with a substantially circular base FLAE ⁇ chenabête, the upper side, beyond the outer contour of the first Konaktmaschine isolated prior to the first contacting of the third with a electrical contacting electrical ⁇ cal contacted and connected to the second contact.
  • a compound of the surface portions and the second contacting of he can follow ⁇ example.
  • the membrane is firmly connected peripherally with a wall running essentially perpendicular to a membrane plane, so that it is quasi clamped in the membrane.
  • an oscillatory system can be easily Herge ⁇ provides. Due to this clamping of the membrane, hen different curvature directions and thus under ⁇ different preceded by the curvatures, so that a corre ⁇ sponding adjustment of the drive is necessary.
  • a compensating element an equalizing ceramics may, for example between the membrane and the Piezoele ⁇ ment. Be.
  • typically disc-shaped compensating ceramic thermal expansion of the membrane can be added and caused due to thermal stresses electrical voltages thus largely avoided ⁇ the.
  • the piezo drive is advantageously gebil ⁇ det of a single piezoelectric element with preferably circular base, wherein the piezoelectric drive is preferably bonded to the membrane or the compensation element.
  • a further optimization can be made when a bottom surface of the piezoelectric element substantially to the surface of the same direction of curvature of the forming at the predetermined natural mode of mechanical deformation of the membrane ⁇ rule vibrator speaks ⁇ ent. Additionally or alternatively, an adjustment to the surface of the electrical contact including Au ⁇ .kontur the piezo element can be adjusted.
  • This Ausgestal tung ⁇ form allows for optimal detection and excitation vibration of the diaphragm to vibrate, although it can not be reset resorted to commonly available piezo element to ⁇ in this variant, and custom-made with a matching outer contour are necessary.
  • the mechanical oscillator can be constructed as a tuning fork with two with the same distance to a membrane ⁇ center and substantially orthogonally disposed to the diaphragm plane paddle and correspond to the preferred mode a gossip mode of the two paddles.
  • Tuning forks with two oppositely arranged paddles have several resonance frequencies and thus coupled eigenmodes.
  • the two main eigenmodes are called clap-mode or
  • Gossip mode and referred to as Sway-mode or swing mode.
  • the drive must be purpose oriented to a mechanical transducers and arranged mainly be ⁇ ferred mode is excited.
  • the first contact has a ratio of length to width of between 5 to 4 and 6 to 4.
  • An inventive method for optimizing a Piezoan- drive for a vibration sensor with an over the Piezoan- operating with at least one piezoelectric element to a vibration excitable membrane and, disposed on the membrane ⁇ me chanical oscillator includes the steps of:
  • Figure la is a perspective view of a membrane ei ⁇ nes vibration sensor having arranged thereon mecha African transducer
  • FIG. 1b shows a top view of the membrane on FIG.
  • FIG. 2a shows characteristic curves of a membrane deformation, a slope of the corresponding deformation, as in a curvature of the membrane in a section through the membrane of FIG. 1b along the line A, FIG.
  • FIG. 2b shows the characteristics on FIG. 2a in a section along the line B
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a resulting structure of a piezoelectric element in plan
  • Figure 4 shows the top of an embodiment of an accordingly figure 3 formed piezoelectric element
  • FIG. 5 shows the underside of the piezoelectric element from FIG. 4.
  • FIG. la shows a perspective view of a mechanical ⁇ rule oscillation unit of a vibration sensor 1 according to the present application.
  • the mechanical vibration unit is essentially formed by a membrane 5, which is fixedly connected to a circumferential wall 30 and clamped in this schwingfä ⁇ hig.
  • a mechanical oscillator is in the present illustration the lower side, which corresponds to from a medium side facing the diaphragm 5 disposed 7, which in the present embodiment, as one of two opposite and parallel to each other teach ⁇ th orthogonal to the Membrane 5 standing paddles is formed.
  • 5 egg ne line A is located on the membrane corresponding to a connection line of a Ba ⁇ sis of the two paddles.
  • the line A is also in the top view in Figure lb ⁇ drawn and indicates a section line, which is also referred to below as a section and an angle of 0 °.
  • lines B and C are further marked which mark a section at an angle of 45 ° (line B) and at an angle of 90 ° (line C).
  • the membrane deformation D, a resultant pitch S and are located just ⁇ if resulting curvature K drawn therefrom.
  • D the characteristics of the Figures 2a to c were determined for a membrane with a diameter of 19 mm.
  • ⁇ Neten membrane deformation is the slope S at each point of the deformed membrane 5 and determined by repeated differentiation, the curvature K.
  • the curvature K is also marked with arrows, the respective intersection point of the characteristic K with the X-axis. This point characterizing ⁇ net a change of sign of the curvature K.
  • a third contacting 13 of surface portions of the upper side of the piezoelectric element 9, the hen beyond the contour of the first electrical contact 11 hen ⁇ hen are insulated via an intermediate insulation 16 of the first electrical contact 11 and ei ⁇ ne Um toasttechnik 19 with the second electrical contact tion 12 of the underside of the piezoelectric element 9 connected.
  • FIG. 4 On ⁇ construction of a piezo element 9 according to the present invention illustrated specific exporting ⁇ approximately examples can be derived in Figures 4 and 5.
  • FIG. These embodiments are optimized in particular with regard to the surface of the electrical contacts 11, 12, 13 and the necessary insulation.
  • the first electrical contact 11 is shown in a central region of the piezoelectric element 9 over a large area and surrounded by egg ⁇ ner first edge insulation 15 to the edge of the piezoelectric element 9 umge ⁇ ben.
  • a Zwi ⁇ rule insulation 16 is provided which electrically isolates the first contact 11 and the third electrical contact 13 from each other.
  • the third electrical contact 13 is in turn led to the edge of the piezoelectric element 9 and guided by means of a Umutton réelle 19 over the edge of the Piezoe- element 9 to the second electrical contact 12.
  • the second electrical contact 12 is shown substantially in FIG. 5, wherein in the edge regions in which no third electrical contact 13 is arranged on the upper side of the piezoelectric element 9, it is protected by a second edge insulation. tion 17 spaced from the edge of the piezoelectric element 9 and is formed isolated. In the region in which the third electrical contact 13 is arranged on the upper side, and the second electrical contact 12 is guided to the edge of the piezoelectric element 9 and is there in the Umutton réelle 19 in conjunction, so that the second electrical connection 12 and the third electrical contact 13 in connection ste ⁇ hen.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vibrationssensor mit einer über einen piezoelektrischen Antrieb zu einer Schwingung anregbaren Membran, einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger, wobei wenigstens ein Piezoelement des Antriebs wenigstens eine erste elektrische Kontaktierung einer Oberseite des Piezoelements und wenigstens eine zweite elektrische Kontaktierung einer Unterseite des Piezoelements aufweist, dass das wenigstens eine Piezoelement derart ausgestaltet ist, dass eine wirksame Fläche des Piezoelements einer Fläche einer mechanischen Verformung gleichgerichteter Krümmung der Membran bei einer vorgegebenen Eigenmode des mechanischen Schwingers entspricht.

Description

Vibrationssensor und Verfahren zur Optimierung eines Piezoan- triebs
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor ge- maß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Optimierung eines Piezoantriebs für einen solchen Vibrati¬ onssensor gemäß Patentanspruch 15.
Aus dem Stand der Technik sind Vibrationssensoren verschiede- ner Art bekannt. Eingesetzt werden diese häufig als Vibrati- ons-Grenzstandschalter mit einer in Schwingung versetzbaren Membran und einem Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwin¬ gung und/oder zum Abgreifen einer Schwingung der Membran sowie einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger be- kannt, wobei als Antrieb häufig piezoelektrische Elemente zum Einsatz kommen. Derartige Vibrations-Grenzstandschalter werden insbesondere zur Detektion von Füllständen bzw. Grenzständen in Behältern für fließfähige und fluidisierbare Medien, insbe¬ sondere bei Flüssigkeiten oder Schüttgütern eingesetzt. Die Vibrations-Grenzstandschalter sind je nach Füllstand in dem Behälter mit dem Medium in Kontakt oder nicht, sodass eine Schwingfrequenz der Membran bzw. des an der Membran angeordne¬ ter mechanischen Schwingers durch den Kontakt mit dem Medium beeinflusst wird.
Die aus dem Stand bekannten Vibrationssensoren werden häufig mit einem geklebten Antriebe betrieben, wobei bei dieser An¬ triebsart ein scheibenförmig ausgebildetes Piezoelement unter Zwischenschaltung eines Ausgleichselements zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Membran und Piezoele¬ ment mit der Membran in Schwingung zu versetzen und Schwingun¬ gen der Membranen erfassen und in ein Messsignal überführen zu können weißt das Piezoelement wenigstens zwei elektrische Kon- taktierungen auf. Wenigstens eine erste elektrische Kontaktie- rung ist auf einer Oberseite des Piezoelements und wenigstens eine zweite elektronische Kontaktierung auf einer Unterseite der Piezoelements aufgebracht. Typischerweise werden zur Kon- taktierung des Piezoelements flächig aufgebrachte Metallisie¬ rungen verwendet .
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Piezoelektrischen Antrieben ist die Unterseite des Piezoelements , d.h. eine der Membran zugewandte Oberfläche des Piezoelements , in der Regel vollflächig kontaktiert während die Oberfläche des Piezoele- ments die von der Membran wegweisende Oberfläche des Piezoele- ments entweder mit einer oder mit mehreren elektrischen Kon¬ taktierungen versehen ist. Beispielsweise kann die Oberseite des Piezoelements vierfach segmentiert sein und es können je¬ weils zwei diagonal gegenüberliegend angeordnete Segmente ge¬ meinsam elektrisch kontaktiert sein. Auf diese Weise ist es möglich über zwei der Kontaktierungen Bewegung in die Membran einzukoppeln und gleichzeitig über die beiden anderen Kontak¬ tierungen eine Schwingungsresonanzfrequenz und/oder Amplitude der Membran zu erfassen. Ist die Oberfläche nicht segmentiert kontaktiert, so können Anregung und Detektion nur sequenziell durchgeführt werden.
Bei den typischerweise eingesetzten Piezoelementen wird zur Detektion eine Spannung erzeugt, welche proportional zu einer Krümmung des Piezoelements ist. Umgekehrt wird eine angelegte Spannung in eine angelegte Spannung proportionale Krümmung des Piezoelements umgesetzt.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren werden Geometrie sowie die Form der elektrischen Kontaktierung der Piezoelemente durch Versuche ermittelt. Die Piezoelemente sind typischerweise scheibenförmig ausgestaltet und haben auf¬ grund der verwendeten Herstellungstechnologie in der Regel eine kreisrunde Grundfläche. Wie bereits erwähnt wird typi¬ scherweise die Unterseite des Piezoelements vollflächig kon- taktiert. Je nach Einsatzgebiet ist es im Stand der Technik ferner üblich, die Oberseite des Piezoelements entweder mit einer elektrischen Kontaktierung vollflächig oder mehrfach segmentiert mit einer ebenfalls annähernd vollflächigen Kon- taktierung zu versehen. Bei manchen Ausprägungen wird die Un- terseite nicht kontaktiert.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Vibrati¬ onssensor mit einem Piezoantrieb derart weiterzubilden, dass dieser ein verbessertes Empfangssignal aufweist, eine angeleg¬ te Spannung verbessert in eine mechanische Schwingung über¬ setzt und dadurch eine verbesserte Signaldetektion ermöglicht. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Optimierung eines piezoelektrischen Antriebs für einen Vibrationssensor anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Opti¬ mierung eines Piezoantriebs für einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiter¬ bildungen sind in abhängigen Patentansprüchen angegebenen.
Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer über einen piezoelektrischen Antrieb zu einer Schwingung anregbaren Memb¬ ran sowie zur Erfassung von Schwingungen der Membran weist ei- nen an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger sowie wenigstens ein Piezoelement mit wenigstens einer ersten elektrischen Kontaktierung einer Oberseite des Piezoelements und wenigstens einer zweiten elektrische Kontaktierung einer Unterseite des Piezoelements auf und zeichnet sich dadurch aus, dass das wenigstens eine Piezoelement derart ausgestaltet ist, dass eine wirksame Fläche des Piezoelements einer Fläche einer mechanischen Verformung gleichgerichteter Krümmung der Membran bei einer vorgegebenen Eigenmode des mechanischen Schwingers entspricht.
Die an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger können verschiedenartig ausgestaltet sein und jeweils eine Mehrzahl verschiedener Eigenmoden aufweisen.
Eine Eigenmode tritt jeweils bei einer zugrundeliegenden durch die geometrische Ausgestaltung des Schwingungssystems vorgege¬ benen Resonanzfrequenz auf, wobei sich die Resonanzfrequenzen der verschiedenen Eigenmoden voneinander unterscheiden. Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Vibrationssensoren exis¬ tieren bevorzugte Eigenmoden, die sich bspw. dadurch auszeich¬ nen, dass diese hinsichtlich einer Kraft- und/oder Momenten¬ übertragung auf einen Prozessanschluss , mittels dem der Vibra¬ tionssensor in einem Behälter angeordnet ist, optimiert sind. Bevorzugt werden dabei Eigenmoden und dazu korrespondierende Resonanzfrequenzen, bei denen eine Kraft- und Momentenübertra¬ gung minimal ist. In der Regel wird damit die vorgegebene Ei¬ genmode dieser bevorzugten Eigenmode entsprechen und der pie¬ zoelektrische Antrieb hierauf optimiert seien.
Als wirksame Fläche des Piezoelements wird in der vorliegenden Anmeldung die Fläche verstanden, die zur Detektion einer
Schwingung der Membran und/oder zur Übertragung einer Schwin¬ gung auf die Membran mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts genutzt wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass aufgrund der Tatsache, dass eine von den verwendeten Pie- zoelementen erzeugte piezoelektrische Spannung proportional zu einer Krümmung des Piezoelements ist bei sämtlichen Schwin¬ gungssystemen sowohl positive als auch negative Spannungsan¬ teile überlagert werden und damit einer erzielbare Sig¬ nalamplitude verringert wird. Ein Grund für die positiven und negativen Signalanteile liegt darin, dass die verwendete Memb¬ ran bei einer Schwingung des mechanischen Schwingers sowohl positive als auch negative Krümmungsanteile aufweist, die bei den Vibrationssensoren aus dem Stand der Technik abgegriffen und deren Signal überlagert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Idee zugrunde, aus¬ schließlich gleichgerichtete Signalanteile zur Signalauswer¬ tung zu verwenden und auch nur die Anteile der Membran in Schwingung zu versetzen, die bei der vorgegebenen Eigenmode bzw. der dazu korrespondierenden Resonanzfrequenz sich in die gleiche Richtung verformen. Durch eine finite ElementSimulati¬ on wurde die im Membran Verformung bei einer bevorzugten Ei¬ genmode untersucht und durch Bildung der zweiten Ableitung die entsprechende Krümmung der Membran, die proportional zur er¬ zielbaren Piezospannung ist, ermittelt. Wird eine Piezospan- nung zur Signaldetektion nur in dem Bereich gleichgerichteter Krümmung der Membran abgegriffen und/oder eine Spannung nur in diesem Bereich angelegt, um eine mechanische Verformung der Membran hervorzurufen, so werden die erzielbare elektrische und mechanische Amplitude maximal und damit die Signalermitt¬ lung optimiert.
Eine Beschränkung der wirksamen Fläche des Piezoelements auf eine Fläche einer mechanischen Verformung gleichgerichteter Krümmung der Membran kann bspw. dadurch erfolgen, dass wenigs- ten eine der elektrischen Kontaktierungen angepasst ist und einer Fläche aufweist, die im Wesentlichen einer Fläche der gleichgerichteten Krümmung der sich bei der vorgegebenen Ei¬ genmode des mechanischen Schwingers ausbildenden Verformung der Membran entspricht. Durch das Abgreifen einer Piezospan- nung nur im Bereich gleichgerichteter Krümmung wird eine grö¬ ßere Spannungsamplitude erzielt und damit auch eine bessere Detektion der relevanten Schwingungsfrequenz ermöglicht. Ein im System auftretendes Rauschen hat signaltechnisch einen grö¬ ßeren Abstand zum Nutzsignal. Der Signal-Rausch-Abstand wird erhöht .
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform verläuft eine Außen¬ kontur der Fläche entlang einer Linie eines Krümmungswechsels der Membran bei der vorgegebenen Eigenmode.
Unter Krümmungswechsel wird in der vorliegenden Anmeldung ein Wechsel des Vorzeichens der zweiten Ableitung der Membranver¬ formung verstanden.
In einer besonders einfach herzustellenden Variante des Vibra¬ tionssensors der vorliegenden Anmeldung ist die erste Kontak- tierung angepasst und die zweite Kontaktierung im Wesentlichen vollflächig auf die Unterseite des Piezoelements aufgebracht. Durch eine derartige Ausgestaltung können Zu- und Ableitungen für die elektrische Kontaktierung des Piezoelements besonders einfach realisiert und damit Herstellungskosten eingespart werden .
Die elektrischen Kontaktierungen des Piezoelements können be¬ sonders einfach durch Metallisierungen einer Oberfläche des Piezoelements realisiert werden. Entsprechende Metallisierun¬ gen können durch selektive Beschichtungsverfahren oder mit Hilfe fotolithografischer Verfahren, die bspw. auf der Halb¬ leiterindustrie wohlbekannt sind, einfach hergestellt und kos¬ tengünstig realisiert werden. Eine Optimierung der erzielbaren Signalamplitude bzw. Schwin¬ gungsamplitude kann erreicht werden, wenn bei einem Piezoele- ment mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Grundfläche Flä¬ chenabschnitte, der Oberseite, die über die Außenkontur der ersten Konaktierung hinausgehen, vor der ersten Kontaktierung isoliert mit einer dritten elektrischen Kontaktierung elektri¬ sche kontaktiert und mit der zweiten Kontaktierung verbunden sind .
Auf diese Weise wird erreicht, dass die über die Außenkontur der ersten Kontaktierung hinaus gehenden Flächenausschnitte quasi kurzgeschlossen werden sodass sich lediglich eine Kapa¬ zität im Bereich der ersten Kontaktierung ausbildet und somit an dieser eine größere elektrische Spannung abgreifbar ist. Auch bei der Anregung des Piezoelements teilt sich eine ange- legte Anregespannung nicht auf, so dass ein größeres elektri¬ sches Feld und damit eine größere mechanische Bewegung des Piezoelements erreicht werden kann.
Eine Verbindung der Flächenabschnitte und der zweiten Kontak- tierung kann bspw. durch eine über den Rand des Piezoelements geführte als Metallisierung ausgebildete Umkontaktierung er¬ folgen .
Üblicherweise ist die Membran umlaufend mit einer im Wesentli- chen senkrecht zu einer Membranebene verlaufenden Wandung fest verbunden, so dass die in der Membran quasi eingespannt ist. Auf diese Weise kann ein schwingfähiges System einfach herge¬ stellt werden. Aufgrund dieser Einspannung der Membran entste- hen unterschiedliche Krümmungsrichtungen und damit unter¬ schiedlich Vorzeichnen der Krümmungen, so dass eine entspre¬ chende Anpassung des Antriebs notwendig ist.
Zur Anpassung thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Membran und Piezoelement kann zwischen der Membran und dem Piezoele¬ ment ein Ausgleichselement bspw. eine Ausgleichskeramik, ange¬ ordnet sein. Durch eine solche, typischerweise scheibenförmig ausgebildete Ausgleichskeramik können thermische Ausdehnungen der Membran aufgenommen und aufgrund thermischen Spannungen hervorgerufene elektrische Spannungen damit weitgehend vermie¬ den werden.
Der Piezoantrieb ist vorteilhafterweise aus einem einzigen Piezoelement mit vorzugweise kreisförmiger Grundfläche gebil¬ det, wobei der Piezoantrieb vorzugsweise mit der Membran oder dem Ausgleichselement verklebt ist. Durch eine Verklebung des Antriebs mit der Membran oder dem Ausgleichselement wird eine kostengünstige Herstellung bei gleichzeitig guter mechanischer Kopplung ermöglicht.
Eine weitere Optimierung kann erfolgen, wenn eine Grundfläche des Piezoelements im Wesentlichen der Fläche gleichgerichteter Krümmung der sich bei der vorgegebenen Eigenmode des mechani¬ schen Schwingers ausbildenden Verformung der Membran ent¬ spricht. Zusätzlich oder alternativ zu einer Anpassung der Fläche der elektrischen Kontaktierung kann also auch eine Au¬ ßenkontur des Piezoelements angepasst werden. Diese Ausgestal¬ tungsform ermöglicht eine optimale Schwingungsdetektion und Anregung der Membran zu Schwingungen, wenngleich bei dieser Variante nicht auf üblicherweise verfügbare Piezoelement zu¬ rückgegriffen werden kann und Sonderanfertigungen mit einer angepassten Außenkontur notwendig sind. In eines Ausgestaltungvariante kann der mechanische Schwinger als Stimmgabel mit zwei mit gleichem Abstand zu einem Membran¬ mittelpunkt und im Wesentlichen orthogonal zu der Membranebene angeordnete Paddel ausgebildet sein und die bevorzugte Mode einem Klatschmodus der beiden Paddel entsprechen. Stimmgabeln mit zwei gegenüberliegend angeordneten Paddeln weisen mehrere Resonanzfrequenzen und damit gekoppelte Eigenmoden auf. Die beiden wichtigsten Eigenmoden werden als Clap-Mode- oder
Klatschmodus und als Sway-Mode oder Schwingmodus bezeichnet.
Beim Klatschmodus bewegen sich die beiden Paddel der Stimmga¬ bel aufeinander zu und wieder voneinander weg, wohingegen sie sich beim sogenannten Schwing-Modus parallel aneinander vor¬ bei nach rechts und links bewegen. Da der Klatschmodus aus der Sicht eines Prozessanschlusses nahezu kräfte- und momentenfrei ist und der Schwingmodus im Vergleich dazu ein größeres Dreh¬ moment auf den Prozessanschluss bringen würde, ist es das Ziel ausschließlich den Klatschmodus anzuregen und den Schwingmodus zu vermeiden. Durch eine Ausgestaltung des Antriebs entspre¬ chend der vorliegenden Anmeldung kann dies erreicht werden.
Der Antrieb muss hierzu so zu einem mechanischen Schwingern ausgerichtet und angeordnet sein, dass hauptsächlich der be¬ vorzugte Modus angeregt wird.
Bei einem Vibrationssensor mit einer entsprechend ausgebilde¬ ten Stimmgabel hat die erste Kontaktierung ein Verhältnis von Länge zu Breite vom zwischen 5 zu 4 und 6 zu 4. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der ersten Kontaktierung kann nä¬ herungsweise ein durch Simulation exakt ermittelbares Ergebnis erreicht werden. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Optimierung eines Piezoan- triebs für einen Vibrationssensor mit einer über den Piezoan- trieb mit wenigstens einem Piezoelement zu einer Schwingung anregbaren Membran und einem an der Membran angeordneten me¬ chanischer Schwinger weist folgende Schritte auf:
Bestimmen einer bevorzugten Eigenmode des bevorzugten Schwingers ,
Ermitteln einer Fläche von Punkten gleicher Krümmungsrich tung der Membran bei der bevorzugten Eigenmode,
Ausbilden einer Fläche einer elektrischen Kontaktierung des Piezoelements entsprechend der ermittelten Fläche.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren einge¬ hende erläutern. Es zeigen:
Figur la eine perspektivische Darstellung einer Membran ei¬ nes Vibrationssensors mit daran angeordnetem mecha nischen Schwinger,
Figur lb eine Draufsicht der Membran auf Figur la,
Figur 2a Kennlinien einer Membranverformung, einer Steigung der entsprechenden Verformung so wie in einer Krüm mung der Membran bei einem Schnitt durch die Memb ran der Figur lb entlang der Linie A,
Figur 2b die Kennlinien auf Figur 2a bei einem Schnitt ent lang der Linie B,
Figur 2c die Kennlinien aus Figur 2a bei einem Schnitt ent¬ lang der Linie C, Figur 3 eine schematische Darstellung eines sich hieraus ergebenden Aufbaus eines Piezoelements in Drauf sieht ,
Figur 4 die Oberseite eines Ausführungsbeispiels eines ent sprechend Figur 3 ausgebildeten Piezoelements und
Figur 5 die Unterseite des Piezoelements aus Figur 4.
Figur la zeigt eine perspektivische Darstellung einer mechani¬ schen Schwingungseinheit eines Vibrationssensors 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Die mechanische Schwingungseinheit ist im Wesentlichen durch eine Membran 5 gebildet, die mit einer umlaufenden Wandung 30 fest verbunden und in diese schwingfä¬ hig eingespannt ist. An der Membran 5 ist in der vorliegenden Darstellung unterseitig, was einer aus einem Medium zugewand- ten Seite der Membran 5 entspricht, ein mechanischer Schwinger 7 angeordnet, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine aus zwei gegenüberliegend und parallel zueinander ausgerichte¬ ten, orthogonal auf der Membran 5 stehenden Paddeln gebildet ist. In der vorliegenden Darstellung ist auf der Membran 5 ei- ne Linie A eingezeichnet, die einer Verbindungslinie einer Ba¬ sis der beiden Paddel entspricht.
Die Linie A ist in der Draufsicht in Figur lb ebenfalls einge¬ zeichnet und kennzeichnet eine Schnittlinie, die nachfolgend auch als Schnitt und einem Winkel vom 0° bezeichnet wird. In Figur lb sind ferner Linien B und C eingezeichnet die eine Schnitt unter einem Winkel von 45° (Linie B) sowie unter einem Winkel von 90° (Linie C) kennzeichnen. In den Figuren 2a bis c sind die Membranverformung D, eine sich hieraus ergebende Steigung S sowie eine sich daraus eben¬ falls ergebende Krümmung K eingezeichnet. D die Kennlinien der Figuren 2a bis c wurden für eine Membran mit einem Durchmesser von 19 mm ermittelt.
Da die Membran 5 randseitig mit der Wandung 30 verbunden und somit eingespannt ist, ist die Durchbiegung im Randbereich, d.h. bei einer Position unten von 0 mm und 19 mm jeweils 5 bzw. annähernd 0. Durch die Differentiation der mit D bezeich¬ neten Membranverformung wird die Steigung S an jedem Punkt der verformten Membran 5 und durch nochmalige Differentiation die Krümmung K ermittelt. In Bezug auf die Krümmung K ist ferner mit Pfeilen gekennzeichnet, der jeweilige Schnittpunkt der Kennlinie K mit der X-Achse angegeben. Dieser Punkt kennzeich¬ net einen Vorzeichenwechsel der Krümmung K. Wie aus Figuren 2a bis 2c ersichtlich ist, liegt der Schnittpunkt der Krümmung K mit der X-Achse in Figur 2a bei etwa 4 mm und 14 mm und in Fi¬ gur 2b bei etwa 2,5 mm und 16,5 mm und in Figur 2c etwa bei 2 mm und 17 mm. Zwischen diesen beiden Punkten weist die Krüm¬ mung jeweils einen positiven Wert auf, während sie außerhalb dieser beiden Punkte negative Werte hat.
Bei dem in den Figuren la) und lb) dargestellten Ausführungs¬ beispiel liegen die beiden hauptsächlich auftretenden Eigenmo¬ den des mechanischen Schwingers 7 nur 57 Hz voneinander ent¬ fernt, sodass durch eine entsprechende Ausgestaltung des An¬ triebs eine verbesserte und eindeutige Anregung der bevorzug¬ ten Mode erreicht wird.
Diese Erkenntnis zugrundelegend, kann der in Figur 3 schema¬ tisch dargestellte optimierte Aufbau eines Piezoelements 9 ab¬ geleitet werden. Gezeigt ist in Draufsicht die Membran 5, die an der umlaufenden Wandung 30 eingespannt ist. Auf der Membran 5 ist ein Piezoelement 9 angeordnet, welches eine entsprechend den in den Figuren 2a bis 2c dargestellter Erkenntnisse opti- mierte erste elektrische Kontaktierung 11 aufweist. Eine zwei¬ te elektrische Kontaktierung 12 des Piezoelements 9 ist auf der Unterseite des Piezoelements 9 vollflächig aufgebracht, wie in Figur 5 zu sehen ist. Eine dritte Kontaktierung 13 von Flächenabschnitten der Oberseite des Piezoelements 9, die über die Kontur der ersten elektrischen Kontaktierung 11 hinausge¬ hen sind über eine Zwischenisolierung 16 von der ersten elektrischen Kontaktierung 11 elektrisch isoliert und über ei¬ ne Umkontaktierung 19 mit der zweiten elektrischen Kontaktie- rung 12 der Unterseite des Piezoelements 9 verbunden.
Ausgehend von dem in Figur 3 dargestellten schematischen Auf¬ bau eines Piezoelements 9 gemäß der vorliegenden Erfindung können in den Figuren 4 und 5 dargestellten konkreten Ausfüh¬ rungsbeispiele abgeleitet werden. Diese Ausführungsbeispiele sind insbesondere hinsichtlich der Fläche der elektrischen Kontaktierungen 11, 12, 13 sowie der notwendigen Isolierungen optimiert. Die erste elektrische Kontaktierung 11 ist in einem zentralen Bereich des Piezoelements 9 großflächig und von ei¬ ner ersten Randisolierung 15 zum Rand des Piezoelement 9 umge¬ ben angegeben. Zwischen der ersten elektrischen Kontaktierung 11 und der dritten elektrischen Kontaktierung 13 ist eine Zwi¬ schenisolierung 16 vorgesehen, die die erste Kontaktierung 11 und die dritte elektrische Kontaktierung 13 voneinander elektrisch isoliert. Die dritte elektrische Kontaktierung 13 ist ihrerseits bis an den Rand des Piezoelementes 9 geführt und mittels einer Umkontaktierung 19 über den Rand des Piezoe- lements 9 zur zweiten elektrischen Kontaktierung 12 geführt. Die zweite elektrische Kontaktierung 12 ist im Wesentlichen in Figur 5 gezeigt, wobei diese in Randbereichen, in denen auf der Oberseite des Piezoelements 9 keine dritte elektrische Kontaktierung 13 angeordnet ist, durch eine zweite Randisolie- rung 17 zum Rand des Piezoelements 9 beabstandet und isoliert ausgebildet ist. In dem Bereich, in dem auf der Oberseite die dritte elektrische Kontaktierung 13 angeordnet ist, ist auch die zweite elektrische Kontaktierung 12 bis an den Rand des Piezoelements 9 geführt und steht dort im der Umkontaktierung 19 in Verbindung, so dass die zweite elektrische Verbindung 12 und die dritte elektrische Kontaktierung 13 in Verbindung ste¬ hen .
Bezugszeichenliste
1 Vibrationssensor
3 piezoelektrischer Antrieb
5 Membran
7 mechanischer Schwinger
11 erste elektrische Kontaktierung 12 zweite elektrische Kontaktierung 13 dritte elektrische Kontaktierung
15 erste Randisolation
16 Zwischenisolation
17 Zweite Randisolation
19 Kontaktierung
28 Ausgleichselement 30 Wandung
A Schnitt 0°
B Schnitt 45°
C Schnitt 90°
M Membranebene
D Verformung
S Steigung
K Krümmung

Claims

Patentansprüche
Vibrationssensor (1) mit einer über einen piezoelektri¬ schen Antrieb (3) zu einer Schwingung anregbaren Membran (5) , einem an der Membran (5) angeordneten mechanischen Schwinger (7), wobei wenigstens ein Piezoelement (9 ) des Antriebs (3) wenigstens eine erste elektrische Kontaktie- rung (11) einer Oberseite des Piezoelements (9) und we¬ nigstens eine zweite elektrische Kontaktierung (12) einer Unterseite des Piezoelements (9) aufweist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das wenigstens eine Piezoelement ( 9) derart ausgestaltet ist, dass eine wirksame Fläche des Piezoelements (9) ei¬ ner Fläche einer mechanischen Verformung gleichgerichte¬ ter Krümmung der Membran (5) bei einer vorgegebenen Ei¬ genmode des mechanischen Schwingers (7) entspricht.
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
wenigstens eine der elektrischen Kontaktierungen (11,12) angepasst ist und eine Fläche aufweist, die im Wesentli¬ chen einer Fläche der gleichgerichteten Krümmung der sich bei der vorgegebenen Eigenmode des mechanischen Schwin¬ gers (7) ausbildenden Verformung der Membran (5) ent¬ spricht .
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
eine Außenkontur der Fläche entlang einer Linie eines Krümmungswechsels der Membran (5) bei der vorgegebenen Eigenmode verläuft.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorgehenden Ansprü¬ che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die erste Kontaktierung (11) angepasst ist und die zweite Kontaktierung (12) im Wesentlichen vollflächig auf die Unterseite des Piezoelements (9) aufgebracht ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die erste Kontaktierung (11) und/oder die zweite Kontak- tierung (12) als Metallisierung einer Oberfläche des Pie- zoelements (9) ausgeführt ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Piezoelement (9) eine im Wesentlichen kreisförmige Grundfläche aufweist und über die Außenkontur der ersten Kontaktierung (11) hinausgehende Flächenabschnitte der Oberseite mit einer dritten elektrischen Kontaktierung
(13) von der ersten Kontaktierung (11) isoliert
elektrisch kontaktiert und mit der zweiten Kontaktierung
(12) verbunden sind.
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
eine Verbindung der Flächenabschnitte und der zweiten Kontaktierung (12) durch eine über den Rand des Piezoele- ments (9) geführte als Metallisierung ausgeführte Umkon- taktierung (19) erfolgt.
8. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Membran (5) umlaufend mit einer im Wesentlichen senk- recht zu einer Membranebene (M) verlaufenden Wandung (30) fest verbunden ist.
9. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zwischen dem Piezoelement (9) und der Membran (5) ein Ausgleichselement (28), insbesondere eine scheibenförmig ausgebildete Ausgleichskeramik angeordnet ist.
10. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Piezoantrieb aus einem einzigen Piezoelement (9) mit vorzugsweise kreisförmiger Grundfläche gebildet ist, das vorzugsweise mit der Membran (5) oder dem Ausgleichsele¬ ment (28) verklebt ist.
11. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
eine Grundfläche des Piezoelements (9) im Wesentlichen der Fläche gleichgerichteter Krümmung (K) der sich bei der vorgegebenen Eigenmode des mechanischen Schwingers (7) ausbildenden Verformung der Membran (5) entspricht.
12. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der mechanische Schwinger (7) als Stimmgabel mit zwei mit gleichem Abstand zu einem Membranmittelpunkt und im We¬ sentlichen orthogonal zu der Membranebene (M) angeordnete Paddeln ausgebildet ist und die bevorzugte Mode einem Klatschmodus der beiden Paddel entspricht.
13. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Antrieb (3) so zu dem mechanischen Schwinger (7) aus¬ gerichtet angeordnet ist, dass hauptsächlich der bevor¬ zugte Modus angeregt wird.
14. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die erste Kontaktierung (11) ein Verhältnis von Länge zu
Breite von zwischen 5 zu 4 und 6 zu 4 aufweist.
Verfahren zur Optimierung eines Piezoantriebs (3) für ei¬ nen Vibrationssensor ( 1 ) mit einer über den Piezoantrieb (3) mit wenigstens einem Piezoelement (9) zu einer
Schwingung anregbaren Membran (5) und einem an der Memb¬ ran (5) angeordneten mechanischen Schwinger (7) mit fol¬ genden Schritten:
- Bestimmen einer bevorzugten Eigenmode des mechanischen Schwingers ( 7 ) ,
- Ermitteln einer Fläche von Punkten gleicher Krümmungs¬ richtung der Membran (5) bei der bevorzugter Eigenmode,
- Ausbilden einer elektrischen Fläche einer Kontaktierung des Piezoelements (9) entsprechend der ermittelten Fläche .
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