压电传感器装置及其制造方法与流程

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的压电传感器装置。

背景技术：

1、包括压电元件的传感器装置在本领域中是众所周知的。这些传感器装置用于确定力、例如压力和施加在结构元件上的力。结合震动质量体，可以检测振动、例如发动机的振动。可以测量的其他效应是速度和载荷。另一应用是测量一般的机械效应，只要这些机械效应可以转化为施加在压电传感器上的力。

2、一个基本的设计原理是，压电元件布置在电绝缘体之间，使得电荷没有被分散，还在压电元件的表面处产生可以被测量的电压，并且这种布置结构与金属部分接触。然而，由于不同的材料，压电元件和绝缘体具有不同的cte(热膨胀系数)值，并且在操作温度变化时经历不同的热膨胀。通常，晶体和陶瓷的特征在于较低的cte，而大多数金属具有更高的cte。实际上，已经观察到的是，在某些情况下，热瞬变可能是增加至传感器输出的寄生信号的来源。据推测，结晶部分(绝缘体；压电元件)和金属部分的其中这些部件彼此接触的表面彼此相对移动或在彼此上滑动。这种滑动可能产生寄生信号，在压电传感器装置部署为通常根据感兴趣的频率或频率范围来观察操作并检测机器的不规则操作条件的情况下，寄生信号可能妨碍进行准确的监测并且可能产生故障警报。

3、更具体地，发生在各部件之间的滑动可能具有连续行为或产生寄生信号的粘滑行为。

4、粘滑型滑动的发生与界面处的cte失配程度、接触区域尺寸和摩擦系数有关。当接触的部件中的至少一个部件由延展性可忽略不计的材料例如陶瓷或单晶制成时，更有可能发生粘滑滑动。

5、粘滑滑动还可能受到具有较高的固有延展性的部件、例如金属合金的制造过程的影响。适当的制造过程可以降低界面处的粘滑型滑动的风险。然而，原料批次之间的性能以及制造过程参数的微小变化可能妨碍实现粘滑滑动在装置设计中的完美去除。

6、明显的补救办法是选择具有尽可能接近的相似的热膨胀系数的材料。另一方法，即使是结合应用，也将是选择热膨胀系数低的材料。由ep3665459a1公开的一种方法是在力引入元件与压电元件之间插入过渡元件，该过渡元件能够补偿压电元件和绝缘体的表面在自身变形时的热膨胀。然而，这种方法使设计复杂化，并且效果有限，因为必须仔细设计该过渡元件以免妨碍测量。根据这个现有技术，当过渡元件吸收相邻表面的尺寸变化时，应力减小。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提出一种压电传感器装置，在压电传感器装置中，减少了由于热瞬变而产生的噪声信号。

2、优选地，目的是抑制这样的寄生信号，并且在任何频率或频率范围和温度条件下提供可靠的测量。

3、这样的装置由权利要求1限定。其他权利要求限定了生产该装置的优选实施方式和方法。

4、贯穿说明书和权利要求，除非另有规定，否则百分比是按重量计的百分比。所使用的缩写在说明书所附的术语表中列出。

5、一般地，已经发现的是，源自不同的热膨胀的寄生信号是由彼此接触的本体的接触表面、特别地金属本体与绝缘本体的接触表面或界面的任意微观滑动运动引起的，其中，绝缘本体基本上包括结晶材料或陶瓷。由于对表面的相对运动进行抑制的力和效应(本体压靠彼此；表面粗糙度，如范德华力、偶极力等的原子间引力)，因此该表面粘附至彼此，并且在温度变化期间机械张力增加。然而，一旦张力达到一定水平，张力就变得比抑制力大，并且表面相对于彼此迅速移动。假设一旦运动开始，抑制力就小得多，使得运动仅在一旦获得小得多的机械张力时就停止。当然，这种现象是在微观领域中，并且局部地发生在界面的不同位置中。由于每个这样的事件产生脉冲信号(或尖峰信号)，因此结果是随机噪声信号。

6、为了减少这种效应以及特别是由此产生的噪声信号，所提出的是，在界面中布置有一层，该层减少了粘滞效应，使得表面能够相对于彼此平滑地移动，以平衡不同的热膨胀。

7、已经发现的是，这样的层可以由金属组成。优选地，金属包括贵金属。设置该层的优选方法是用这样的金属层将表面中的至少一个表面、优选地绝缘体的表面覆盖。

8、该层可以通过丝网印刷来最方便地施加。然而，其他方法似乎是可行的，例如，通过类似cvd(化学气相沉积)或pvd(物理气相沉积)的沉积技术以及相关方法来施加第一层。如果该层不够厚，则可以通过例如类似电镀的电化学过程来使该层生长至期望的厚度。

9、优选的金属成分是银、金、铂、以及钯或镍。已经发现，银对于具有约600k或更精确地570k的上部操作温度的传感器是可接受的。在该温度以上，金是优选的。

技术特征：

1.一种对施加的力敏感的压电传感器装置(11)，所述压电传感器装置(11)包括压电元件(1)和至少一个电绝缘本体(2)，所述至少一个电绝缘本体(2)附接至所述压电元件的表面，使得所述本体能够在所述压电元件上赋予力，所述压电元件(1)和所述至少一个电绝缘本体(2)构成传感器元件布置结构，所述压电元件和所述电绝缘本体中的至少一者还在第一相邻表面处与第二本体(14、16)机械接触，其中，所述第二本体的与所述压电元件和所述绝缘本体中的至少一者接触的至少第一相邻表面是金属的，其特征在于，所述压电元件和所述电绝缘本体中的至少一者的所述第一相邻表面是金属表面(3)，所述金属表面(3)基本上包括金属材料以便减少噪声信号、特别是源自所述压电元件和所述电绝缘本体中的至少一者以及相邻的所述第二本体的不同热膨胀的噪声信号。

2.根据权利要求1所述的压电传感器装置(11)，其特征在于，成对的彼此相邻的所述第一相邻表面中的所有第一相邻表面为金属表面(3)。

3.根据权利要求1至2中的一项所述的压电传感器装置(11)，其特征在于，所述绝缘本体(2)中的至少一个绝缘本体包括绝缘无机材料、绝缘结晶材料、绝缘陶瓷、铝土、蓝宝石、aln中的一者，其中，结晶材料包括相对于所述压电元件(1)的电阻具有增加的电阻的压电结晶材料。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的压电传感器装置(11)，其特征在于，所述金属表面(3)包括金属或合金。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的压电传感器装置(11)，其特征在于，所述金属表面(3)是贵金属层或包括至少50wt.-％贵金属的合金层，所述贵金属优选地为镍、银、金、铂或钯。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的压电传感器装置(11)，其特征在于，所述金属材料具有至少80wt-％的总含量的镍、银、金和铂，优选地基本上包括纯的银或金或铂。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的压电传感器装置(11)，其特征在于，所述压电元件(1)布置在构成所述传感器元件布置结构的至少两个电绝缘本体(2)之间，并且所述传感器元件布置结构布置在两个第二本体(14、16)之间。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的压电传感器装置(11)，其特征在于，所述金属层的厚度为1至20微米、优选地为3至12微米。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的压电传感器装置(11)，其特征在于，所述压电传感器装置设计成用于选自以下各项的应用：

10.根据权利要求1至9中的一项所述的压电传感器装置(11)，其特征在于，所述压电元件以压缩模式、剪切模式或横向模式中的一者布置。

11.一种制造根据权利要求1至10中的一项所述的压电传感器装置(11)的方法，其特征在于，通过丝网印刷来施加所述金属表面(3)。

12.根据权利要求11所述的制造所述压电传感器装置(11)的方法，其特征在于，通过丝网印刷施加的所述金属表面(3)在773k或高于773k、优选地923k或高于923k、更优选地973k或高于973k的温度下烧制。

13.根据权利要求12所述的制造所述压电传感器装置(11)的方法，其特征在于，所述金属表面(3)在不高于1273k、优选地不高于1173k的温度下烧制。

14.一种制造根据权利要求1至10中的一项所述的压电传感器装置(11)的方法，其特征在于，通过以下方式来施加金属表面(3)：首先通过化学气相沉积(cvd)或物理气相沉积(pvd)来施加层，并且然后将所述金属材料沉积至预期厚度、优选地通过电镀进行沉积。

技术总结
本发明涉及一种压电传感器装置(11)及其制造方法，该压电传感器装置包括压电元件(1)和至少一个金属本体(14、16)，其中，在每个金属本体(14、16)与压电元件(1)之间布置有绝缘本体(2)。绝缘本体(2)基本上包括结晶材料或陶瓷。绝缘本体(2)的与金属本体(14、16)接触的至少一个表面由金属层(3)覆盖，以便抑制由于粘滑效应和不同热膨胀系数而产生的噪声信号。

技术研发人员：杰拉尔德·埃格,萨穆埃尔·乔西,西里尔·热内
受保护的技术使用者：梅吉特股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25