用于力检测的压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于利用由压电的材料制成的压力传感器来测量力的方法、装置以及用途。
【背景技术】
[0002]现有技术是，通过受感应的电荷来确定力，如这例如在石英力测量计和压电传感器中为这样的情况。对此对于测量技术上的评估而言电荷放大器是必要的。
【发明内容】
[0003]本发明的任务在于，如此改进根据权利要求1的前序部分的方法，即使得对于测量而言不需要电荷放大器并且由此使测量系统总体上小型化。
[0004]根据本发明该任务由权利要求1的特征解决。
[0005]通过使用压力传感器的电容的变化以用于力测量，使得对于测量而言不需要电荷放大器并且由此使测量系统总体上小型化。
[0006]为了排除干扰量，优选地根据锁定方法(Lock-1n-Verfahren)在某个测量频率中进行电容的测量。优选地测量频率处在800Hz和1.2kHz之间，特别优选地处在1kHz处。
[0007]用于执行刚刚描述的方法的根据本发明的压力传感器以下面的方式出众，即优选地压电的材料是硬的，即具有在200至2000，特别优选地400至1200的范围中的高的机械品质(有时成为品质因数)并且在室温下具有>1.5kV/mm优选地>2kV/mm的高的矫顽场强度。
[0008]压力传感器能够是极化的或非极化的。极化的压力传感器提供的优点是，通过脉冲来起动测量并且由此节省能量。极化的压力传感器具有电容的更陡峭的上升。非极化的压力传感器从某个起动负荷起具有明显线性的进程(参见图5)。因此极化的压力传感器具有更简单的力检测的优势并且非极化的压力传感器具有更准确的力确定的优势。对于电容式的力测量而言可设想通过两个类型的压力传感器的电工技术上的联结件(VerknUpfung，有时成为运算件)来结合两个效果。
[0009]因此当力的测量同时利用极化的压力传感器且利用非极化的压力传感器进行并且两个压力传感器的电容提供给电工技术上的联结件时，是有利的。
[0010]优选地压力传感器为带有倒角的边缘的圆形的小板。
[0011 ]优选地测量信号无线地发送到评估单元处。
[0012]根据本发明使用压力传感器以用于为了医学上的应用测量负载信号或以用于为了工业上的应用测量负载信号或以用于为了消费者应用测量负载信号或以用于为了汽车的应用测量负载信号。
[0013]因此测量原理基于测量由压电的材料制成的通过压力而受到负荷的压力传感器的电容。在压力负荷的情况下引起了压电的压力传感器的压缩并且由此引起了电容的改变。就此而言能够按照测量的电容确定在负荷的情况下施加的力更确切说压力(参见图1)。电容变化由铁电的份额和几何的份额组合而成，其中铁电的份额即介电常数的变化占主要部分并且确定信号强度。
[0014]在直接的电容式的力测量的情况下电荷放大器是不需要的，由此可实现测量系统的明显的小型化。
[0015]在运用压电效应时由于材料的传导能力(参见图2)并且由于滞后效应(参见图3)而出现损失。电容的测量根据锁定方法在优选地在800Hz和1.2kHz之间的，特别优选地在1kHz处的某个测量频率的情况下进行，由此排除了其它的干扰量。
[0016]对于传感器而言不仅能够使用铁电软的材料而且能够使用铁电硬的材料。
[0017]执行的测试能够对于硬的压电的材料而言证实出在施加的压力和测量的电容之间更好的线性特性。
[0018]硬的压电的材料被理解成带有在200至2000，优选地400至1200的范围中的高的机械品质的材料，这些材料在室温的情况下具有> 1.5kV/mm优选地>2kV/mm的矫顽场强度。
[0019]此外灵敏度在硬的压电陶瓷的情况下是明显更大的(参见图4)。由此获得了更简单地测量技术上地确定负荷的优点。
[0020]对于用途而言使用极化的压力传感器，因为其同时提供了这样的可行性，即通过脉冲来起动测量并且由此节省能量。尽管如此仍然还能够使用非极化的压力传感器以用于纯的电容测量。极化的压力传感器具有电容的更陡峭的上升，而对于非极化的压力传感器而言从某个起动负荷起获得了明显线性的进程(参见图5)。因此极化的压力传感器具有更简单的力检测的优势并且非极化的压力传感器具有更准确的力确定的优势。对于电容式的力测量而言可设想通过两个类型的压力传感器的电工技术上的联结件来结合两个效果。
[0021]压力传感器的设计能够例如以圆形的小板的形状进行。使用带有倒角的边缘的压力传感器具有在压力负荷的情况下的提高的强度。通过选择硬的压电陶瓷能够实现在负荷和测量的电容之间的线性的关系。
[0022]本发明尤其涉及:
?用于测量力的压力传感器，其特征在于，为了力测量来使用介电常数的变化。
[0023]?用于测量力的压力传感器，其特征在于，使用的材料是压电的/铁电的并且力变化促使极化变化并且由此可测量介电常数的变化。
[0024]?用于测量力的压力传感器，其特征在于，使用极化的铁电的材料，以便实现电荷产生。
[0025]?用于测量力的压力传感器，该压力传感器借助于在加负载时的电荷产生来启动用于测量的电路(“触发信号”)。在加负载之前电路置于停止阶段中以便节省能量。
[0026]?用于测量力的压力传感器，由非极化的压电陶瓷制成以用于更好地测量负载信号。
[0027]?由以相同的或不同的材料制成的极化的铁电体和非极化的铁电体进行组合，以便将测量与“触发信号”脱耦。
[0028]?系统，该系统的特征在于，为了消除温度和其它的环境影响，相同的或不同的类型的一个或多个另外的铁电的构件保持不受负载。通过测量不受负载的构件的电容能够消除例如温度影响。
[0029]?用于为了医学上的应用测量负载信号的系统。
[0030]?用于为了工业上的应用测量负载信号的系统。
[0031]?用于为了消费者应用测量负载信号的系统。
[0032]?用于为了汽车的应用测量负载信号的系统。
[0033]?系统，该系统的特征在于，借助于极化的铁电体产生对于测量而言必要的能量(能量收获)。
[0034]?系统，该系统的特征在于，测量信号无线地发送到评估单元处。
[0035]下面按照示例进一步描述本发明。
[0036]示例:
医学上的负载传感器
该应用为用于记录肢体的(例如足部的)负载的医学上的测量系统。压力传感器位于足部之下并且探测在给足部加负载时出现的力并且将该力通过无线连接发送到存储介质处。通过静态的和动态的电容式的力测量的认知而且在排除干扰量(如例如温度)的情况下可实现监视治疗进展。同样可行的是，按照测量数据来干预治疗过程。(参见图6)。
【主权项】
1.一种用于利用由压电的材料制成的压力传感器来测量力的方法，其特征在于，使用所述压力传感器的电容的变化以用于力测量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电容的测量根据锁定方法在某个测量频率的情况下进行。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量频率处在800Hz和1.2kHz之间。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，力的测量同时利用极化的压力传感器且利用非极化的压力传感器进行并且将两个压力传感器的电容输送给在评估单元中的电工技术上的联结件。5.—种用于执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法的用于测量力的压力传感器，其特征在于，压电的材料是硬的，即具有在200至2000，优选地400至1200的范围中的高的机械品质并且在室温的情况下具有>1.5kV/mm优选地>2kV/mm的矫顽场强度。6.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器是极化的或非极化的。7.根据权利要求5或6所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器为带有倒角的边缘的圆形的小板。8.根据权利要求5至7中任一项所述的压力传感器，其特征在于，测量信号无线地发送到评估单元处。9.一种根据权利要求5至8中任一项所述的压力传感器的用途，以用于为了医学上的应用测量负载信号，或以用于为了工业上的应用测量负载信号或以用于为了消费者应用测量负载信号或以用于为了汽车的应用测量负载信号。
【专利摘要】本发明涉及一种用于利用由压电的材料制成的压力传感器来测量力的方法、装置以及用途。为了使得对于测量而言不需要电荷放大器并且由此使测量系统总体上小型化，提议使用压力传感器的电容的变化以用于力测量。
【IPC分类】G01L1/14, G01L1/16
【公开号】CN105452829
【申请号】CN201480046218
【发明人】R.宾迪希, T.施密特, H-J.施赖纳
【申请人】陶瓷技术有限责任公司
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2014年8月18日
【公告号】DE102014216359A1, EP3036514A1, US20160195439, WO2015024906A1