用于测量压力的传感器和方法与流程

本发明涉及传感器。在此涉及如下传感器，该传感器借助压电效应测量压力或者机械应力。作用于传感器的压力在此被转化为电荷流。该特性可以被用于测量压力或压力波动。此外，本发明涉及用于测量压力的方法。

背景技术：

基于压电材料、诸如锆钛酸铅（PZT）陶瓷或石英的传感器是已知的。图1示出这种单片压电传感器101。其具有单片的基体102，该基体由压力敏感材料的均匀的层构成。在基体102的上侧面109和下侧面110上各布置有外电极105、108，使得压力敏感材料的层处在外电极105、108之间。外电极105、108用于量取在压力负荷情况下形成的电信号。

在该传感器101的情况下，待测量的压力直接作用到外电极105、108上。大量缺点与此相关联。外电极105、108必须用绝缘层覆盖，以便避免形成漏电流。此外，还必须在上和下侧面106、107上设置外电极105、108的电连接，从而这些面106、107不能整面地被用于压力负荷。这些外电极105、108具有金属材料，该金属材料以合理耗费仅仅能以不足够的平坦度来被制造。在面106、107上的不平坦度可能导致测量不准确性。此外，金属的外电极105、108在持续出现压力变换负荷的情况下具有高的磨损效应，这可能缩短传感器101的寿命。此外，在单片的实施方式中，机械增强系统的安装变得困难，其中该机械增强系统将小的压力转化成大的、作用到传感器的压力。

技术实现要素：

本发明的任务因此是说明一种经改善的传感器，其实现：克服上面所提到的缺点至少之一。另一任务是，说明一种用于测量压力的经改善的方法。

该任务通过根据本权利要求1的传感器来解决。

提出了一种传感器，其具有基体，其中该基体具有压电材料和至少两个布置在压电材料中的内电极。所述至少两个内电极在此这样被布置在压电材料中，使得当压力作用于基体的被设置用于压力加载的侧面上时，在这至少两个内电极之间形成电压。

该传感器尤其可以是压力传感器。与之相应地，该传感器可以被构型用于，测量作用到基体上的压力。

当这些内电极布置在压电材料的两层之间时，它们在此可以被表示为“布置在压电材料中”。与之相应地，每个内电极的上侧和下侧可以被压电材料覆盖。然而贴靠在外电极上的侧面可以没有压电材料。

基体的被设置用于压力加载的侧面尤其是基体的平行于内电极的侧面。该基体也可以具有多个被设置用于压力加载的侧面。

传感器可以具有任意数量的内电极。尤其是，传感器可以具有多于两个的内电极。这些内电极可以被划分为与第一外电极接触的第一内电极和与第二外电极接触的第二内电极，其中这些第一和第二内电极的数量不必相同。

具有被布置在压电材料中的内电极的传感器实现：克服上面所描述的缺点。被设置用于压力加载的侧面可以由压电材料组成。在持续压力变换负荷情况下，该压电材料可以具有比金属材料明显更高的负荷能力，从而提高传感器的寿命。此外，压电材料可以以大的平坦度来制造，从而被设置用于压力加载的侧面并没有不平坦度并且可以由此不引起测量误差。

也容易地实现：安装机械增强系统，其增强作用到传感器上的压力。特别有利的是，与内电极平行地将该系统安装到基体的侧面上。

该传感器的另外的优点在于其经改善的设计自由度。由传感器产生的输出信号可以以所期望的方式通过在内电极的数量方面的变化来受到影响。在此尤其是能够实现：提高该信号的电流强度或该信号的电压。

该传感器还可以此外具有第一外电极和第二外电极。所述至少两个内电极其中的每个可以与第一外电极或第二外电极连接。第一外电极可以被布置在基体的第一侧面上。第二外电极可以被布置在基体的第二侧面上。无论第一侧面、还是第二侧面都不能被设置用于压力加载。与之相应地，其与被设置用于压力加载的侧面不同并且尤其是以与这些侧面垂直的方式来布置。第一和第二侧面可以相互对置。

第一外电极可以以垂直于所述至少两个内电极的方式来布置。第二外电极可以以垂直于所述至少两个内电极的方式来布置。

因为该压力沿着垂直于内电极方向作用，该压力仅仅将最小的力作用到外电极上，所述外电极同样在该方向上延伸。

基体的被设置用于压力加载的侧面可以平行于所述至少两个内电极地布置。与之相应地，所述压力优选将最大力作用到该侧面上。

该传感器还可以具有与至少两个内电极连接的评估单元，该评估单元被构型用于确定作用到基体上的压力。在此，所述至少两个内电极可以经由该评估单元相互电接触，其中该评估单元被构型用于测量在至少两个内电极之间流过的电流并且由此确定作用到基体上的压力。可替代地，该评估单元也可以被构型用于测量在至少两个内电极之间施加的电压并且由此确定作用到基体上的压力。

视评估单元的构型而定，该传感器可以这样被构型，使得由于作用到基体上的压力所产生的电信号的电流强度或电压特别高。在少量内电极的情况下得出高的电压。在大量的内电极的情况下得出高电流强度。

压电的基体可以具有锆钛酸铅陶瓷。可替代地，压电基体可以具有另外的压电材料、例如压电石英。这些内电极可以具有银、银-钯或铜或者由这些材料租成。

第一和第二外电极可以具有部分地含玻璃的、由银、银-钯或铜组成的熔透金属化物（Einbrandmetallisierung）或者由其组成。第一和第二外电极还可以具有由CuAg或CrNiAg组成的溅射层。

按照一种实施例，该传感器可以具有机械增强系统，该机械增强系统被构型用于，将由于作用到传感器上的压力产生的机械增强系统的形变转化为基体的形变。

在此，可以将该机械增强系统布置在基体的被设置用于压力加载的侧面上。此外，该传感器可以具有第二机械增强系统，该第二机械增强系统被布置在与被设置用于压力加载的侧面对置的侧面上。

该机械增强系统可以具有第一区域和第二区域，该第一区域被固定在基体上，第二区域与基体间隔并且相对于基体是能够移动的。

按照另一方面，本发明涉及用于测量压力的方法。

建议一种用于利用传感器测量压力的方法，其中该传感器具有基体，所述基体具有压电材料、至少两个布置在压电材料中的内电极、第一外电极和第二外电极，其中所述至少两个内电极其中的每个与第一外电极或第二外电极连接，其中第一外电极布置在基体的第一侧面上，其中第二外电极布置在基体的第二侧面上，并且其中该基体还具有第三侧面，所述第三侧面没有第一外电极和第二外电极。在该方法中，待测量的压力被作用到第三侧面上。

尤其是，上面所描述的传感器可以被用于按照这里所讨论的方面的方法。与之相应地，对于该传感器所公开的全部结构上和功能上的特征也适于该方法。

在这里所描述的方法中，待测量的压力被作用到基体的没有电极的侧面。由此，可以实现不同优点。被设置用于压力加载的第三侧面可以由压电材料组成。在持续的压力变换负荷情况下，该压电材料可以具有比金属材料明显更高的负荷能力，从而提高传感器的寿命。此外，压电材料还可以以大的平坦度来制成，从而被设置用于压力加载的侧面没有不平坦度并且可以由此不引起测量误差。

此外，由于施加到第三侧面上的压力而在至少两个内电极之间形成电压，其中该传感器还可以具有与至少两个内电极连接的评估单元。该方法可以具有步骤：基于由评估单元所测量的电流强度或基于由评估单元所测量的电压来确定作用到基体上的压力。

在有压力作用于其上的侧面上可以布置机械增强系统。该机械增强系统可以被这样构型，使得作用于机械增强系统上的压力使之变形，其中机械增强系统的变形被转变成基体的变形。尤其是，该基体在此可以被拉伸开或者被挤压。机械增强系统可以这样被构型，使得如果相同的压力被直接作用到基体上的话，作用到增强系统上的压力导致基体的变形，该变形比基体所经历变形大十倍。

机械增强系统可以具有截锥状元件，例如由钛制成的片板。机械增强系统可以具有第一区域和第二区域，其中该第一区域被固定在基体上，该第二区域与基体间隔。该第二区域可以相对于基体运动。

附图说明

下面根据附图对本发明更准确地描述。

图1 示出在现有技术中已知的单片传感器；

图2 示出传感器的第一实施例；

图3 以示意图示出在压力作用下压电材料的极化的改变。

图4 示出传感器的第二实施例。

图5 示出具有机械增强系统的传感器的第三实施例。

具体实施方式

图2示出根据第一实施例的传感器1。传感器1具有基体2，该基体具有压电材料13。在基体2中布置第一内电极3和第二内电极4。在此，这些内电极3,4分别被布置在压电材料13的层之间。

第一内电极3与第一外电极5电接触。第一外电极5布置在基体2的第一侧面6上。基体2的第一侧面6以及第一外电极5在此与内电极3、4垂直。此外，第一内电极3相对于第二外面7 回缩，该第二外面与第一侧面6对置。在第二侧面7上布置第二外电极8。第一内电极3不与第二外电极8电接触。

第二内电极4与第二外电极8电接触。第二内电极4相对于第一侧面6回缩并且与之相应地不与第一外电极5电连接。

在与内电极3、4垂直的堆叠方向S上，第一内电极3和第二内电极4交替，其中分别在两个内电极3、4之间布置由压电材料13构成的层。

基体2还具有至少一个被设置用于压力加载的侧面9，10。在图1中通过两个相应的箭头来标出压力作用到基体2上的方向。被设置用于压力加载的侧面9、10平行于内电极3、4地延伸。在图1中所示的传感器1的情况下，上侧面9和下侧面10被设置用于压力加载。

如果压力现在起作用到被设置用于压力加载的侧面9、10上，那么该压力作用到基体2的压电材料13上。由于压电效应，在压力作用下，压电材料13的极化由此被改变。与此相关联的是电荷的聚集，这些电荷在压电材料13中形成并且经由内电极3、4被导出。作用到传感器1上的压力越大，越多电荷就在基体2中产生并且经由内电极3、4被导出给相应外电极5、8。

在基体2中产生的电场和作用到基体2上的压力之间的关联通过两个等式（1）和（2）来描述：

。

在此，s说明基体2的机械延伸率，D说明位移密度，E说明由于压电效应形成的电场的电场强度，T说明作用在基体上的机械应力，d说明基体2的压电材料13的压电常数，ε₃₃和ε₀说明介电常数，s₃₃说明柔韧度。在等式（1）和（2）中此外假定：压力轴线、极化轴线和探测轴线分别重合并且处于堆叠方向S上，堆叠方向这里也被表示为33方向。

如果现在起测量所产生的电场，可以由此计算出作用到基体2上的压力。为了测量该电场，可以要么测量施加在外电极5、8上的电压，要么测量在外电极5、8短接时流过的电流的电流强度。

在图3中表明：在压力作用下，压电材料13的极化方向12改变。片段i示出在没有作用压力情况下的极化，片段ii示出有作用压力的极化。

图4示出用于借助传感器1进行压力测量的可能构型，其中这里使用按照第二实施例的传感器1。按照第二实施例的传感器1与按照第一实施例的传感器1的区别在于第一和第二内电极3、4的数量。

此外，传感器1与电子的评估单元11连接。根据在图4中所示的实施例，第一外电极5和第二外电极8经由电子的评估单元11相互电接触。与之相应地，在压力作用到基体2上的情况下电流从第一外电极5经由评估单元11流向第二外电极8。评估单元11被构型用于，测量该电流的电流强度。从该测量参量可以计算出作用到基体2上的压力。

根据一种可替代的实施例，第一外电极5和第二外电极8不经由电子的评估单元11相互短接。在该情况下，评估单元11可以确定在两个外电极5、8之间施加的电压并且由该测量参量计算出作用到基体2上的压力。

相对于在图1中所示的单片传感器101，这里描述的、具有布置在基体2中的内电极3、4的传感器1具有显著的优点。尤其是，传感器1这样被构型，使得压力负荷不作用到侧面6、7上，外电极5、8处于所述侧面上。被设置用于压力加载的侧面9、10由电绝缘的压电材料13组成。因此，不需要附加的绝缘层以便避免漏电流。此外，在压力所加载的面上不发生电接触，从而这些面可以整面地被压力负荷。如果相反将外电极设置到待加载的侧面上，则该面的一部分必须被用于外电极的电接触。

因为被设置用于压力加载的侧面由压电材料13组成，因此其可以以高平坦度来倍制成，由此尤其是可以得出高测量精度。由压电材料13组成的面可以以小的耗费，以比针对金属面而言可能的更大的平坦度来被制成。此外，压电材料13被证实为，针对压力变换负荷来说是非常耐受的，从而由压电材料13组成的侧面可以提高传感器1的寿命。

这里所描述的传感器的另外的优点在于其高的设计自由度。通过使内电极的数量可以以所期望的方式被改变，因此可以以所期望的方式调整经由内电极导出的输出电荷或者在内电极之间施加的电压。在这些参量之间的关联通过公式（3）至（5）来描述。

n说明压电层的数量。Qn说明具有n个压电层的传感器1 的电荷输出。Q₀说明没有集成的内电极并且具有相同体积的单片传感器101的电荷输出。U_n说明当外电极5、8没有相互短接时，具有n个压电层的传感器1的在外电极5、8之间施加的空转电压。U₀说明相应的单片传感器101的在外电极5、8之间的空转电压。En说明具有n个压电层的传感器1的输出能量，其与空转电压和电荷输出的乘积成比例。E₀说明单片传感器101的输出能量。

公式（3）至（5）示出：输出能量E_n与内电极3、4的数量无关。相反，输出电压Qn与内电极3、4的数量成反比。在两个外电极5、8连接的情况下基本上确定电信号的电流强度的电荷输出Q_n与内电极的数量直接成比例。对于在其中应当基于输出电流的电流强度进行测量的评估单元11来说，具有四个内电极3、4的传感器1因此是有利的，因为这里实现更大的输出电流强度，由此能够提高传感器1的敏感度。对于在其中评估单元11基于输出电压进行测量的传感器1，相反地，具有少数量的内电极3、4的传感器1是有利的，因为通过这种方式可以实现最大的敏感度。

图5示出传感器1的第三实施例。该传感器1相比于按照第一和第二实施例的传感器1附加地具有机械增强系统14。该机械增强系统14实现增强作用到传感器1上的压力。

机械增强系统14具有截锥状元件15，其被固定在基体2的上侧面9上。例如，截锥状元件15被粘在上侧面9上。

截锥状元件15具有被固定在上侧面9上的第一区域16。该第一区域16是截锥状元件15的边缘区域。截锥状元件15还具有第二区域17，其与上侧面间隔。第二区域17可以被朝向基体2移动或者从基体2离开地移动。如果力、例如通过压力，被作用到第二区域17上，由此第二区域17被朝上侧面9方向移动，那么第一区域16在径向方向上向外延展。由此基体2可以被拉伸开。

尤其是，机械增强系统14被这样构建，使得作用到增强系统14上的压力导致机械增强系统14的变形。因为机械增强系统14被固定在上侧面9上，因此机械增强系统14的变形引起基体2被拉伸开或者挤压。增强系统14可以将基体2的变形相对于当力直接作用到基体2上时基体2所经历的变形提高例如10倍。

如上面已经讨论地，机械增强系统14被固定在上侧面9上，也即固定在没有外电极5、8的侧面上。通过这种方式能够确保：外电极5、8不能通过机械增强系统14被损坏。

在下侧面10上还布置有第二机械增强系统14，其基本上与上面所描述的增强系统14结构相同。

附图标记列表

1 传感器

2 基体

3 第一内电极

4 第二内电极

5 第一外电极

6 第一侧面

7 第二外面

8 第二外电极

9 被设置用于压力加载的上侧面

10被设置用于压力加载的下侧面

11 评估单元

12 极化方向

13 压电材料

14 机械增强系统

15 截锥状元件

16 第一区域

17 第二区域

101 单片传感器

102基体

105外电极

108 外电极

109 上侧面

110 下侧面

S 堆叠方向