用于测量动态和静态压力和/或温度的压电式测量元件的制作方法

本发明涉及一种用于测量动态压力并附加地用于测量温度和/或静态压力的测量元件，该测量元件包括由压电材料制成的主体，其中，该主体具有沿横向方向相对置设置的侧表面，在这些侧表面上分别设置有侧表面电极，在此，为了充分利用压电效应，测量元件可以沿纵向方向被预紧地设置在测量元件保持件中并能够承受力；本发明还涉及一种具有测量元件的传感器结构以及一种利用测量元件测量静态压力和动态压力和/或温度的方法，该测量元件包括压电主体，所述压电主体沿纵向方向被夹紧地安置到测量元件收纳部中，其中，所述压电主体具有沿横向方向彼此间隔开的侧表面，这些侧表面具有设置于其上的侧表面电极。

背景技术：

包括压电体或者说压电主体的测量元件由于它们的特殊特性而被使用在具有测量元件的传感器结构系列中。

在专利文献WO2012164016中公开了一种传感器结构，其由多个测量元件组成，这些测量元件包括由压电材料制成的多个主体。这些测量元件可以用于测量压力和/或力。这种传感器结构具有紧凑的结构，其中，在充分利用压电效应的情况下，由压电材料制成的测量元件彼此间隔开地为了动态的力测量或压力测量而以预紧的方式直立地设置在壳体中。力通过膜片被导引到测量元件的端表面上。根据测量元件被压紧的情况，记录下用于确定力或压力的测量信号。为了接收静态的力测量值或压力测量值，设置至少一个另外的测量元件，该测量元件充分利用逆压电效应并作为厚度方向剪切振动器(Dickenscherschwinger)来运行。该厚度方向剪切振动器作为压电谐振器运行，并通过测量元件侧表面上所安装的电极，利用电子激励信号被激励到相应的振动。根据力加载或者说压力加载的不同，厚度方向剪切振动器的共振频率将发生改变，这可被充分利用以确定静态的力或者说压力。

为了提供这种传感器结构需要很多的部件，这些部件必须在壳体中被精确地定向和固定，以及必须小心翼翼地进行电缆连接，以便不同的材料不会受到其他测量元件被激励的高频振动或所使用的电子装置的激励电压干扰。这些测量元件根据结构条件被局部地间隔开，这虽然使得测量元件在壳体中的放置和接触变得更加容易，但是也会导致要在局部不同的点上进行力测量和/或压力测量，由此导致测量不准确。

为了尽可能地在一个点附近可重现地进行力测量或压力测量并提高测量准确性，在专利文献AT503558中采用了另一种途径。一测量元件包括由压电材料制成的主体，该主体设有一附加的第二测量元件，该第二测量元件由具有所谓的SAW结构(Surface Acoustic Wave，表面声波)的压电测量板制成。在充分利用压电效应的情况下，测量元件就像已知的那样提供了发生作用的动态压力。由于直接触碰测量元件的SAW结构被设置在由压电材料制成的主体上，因此其提供了另一种紧凑的传感器结构。测量元件具有表面电极，必须在表面电极和SAW结构可以分析和激励电子装置连接之前将这些表面电极协调一致地同样固定在测量元件上。

通过分析和激励电子装置，可以沿着SAW结构在测量运行中产生声波形式的表面波纹，这些表面波纹的持续时间根据作用到测量元件或SAW结构上的力作用的不同而改变。绝对压力可以借助于SAW结构根据持续时间的变化来确定。

尽管将SAW结构固定在测量元件上会导致一种多件式的传感器结构，其允许在几乎相同的地点上进行压力测量或力测量，但是在测量元件和在SAW结构中会产生不均匀的力分布。在将SAW结构固定在测量元件上以及将表面电极设置在测量元件上时必须确保：无论是两个彼此无关的压电元件相互之间，还是从这两个压电元件发出的测量信号之间均不会相互干扰。为了实现根据AT503558的这种传感器结构，测量元件与具有SAW结构的压电测量板必须在一适当的制造步骤中精确地连接，这会导致较高的花费并因此增加成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测量元件或者说传感器结构，其能够在仅使用很少部件的情况下简单地、低成本地构建，在此，其能够比根据现有技术的测量元件更准确地执行动态和静态的力测量和/或压力测量和/或温度测量。

本发明的目的通过如下的方式来实现：该传感器结构仅具有一个测量元件，该测量元件包括由适当的压电材料制成的主体，该主体能够以两种测量模式同时运行。由于该测量元件被一体化地制成为仅包括一压电主体，因此空间需要和电接触被明显地简化，并且两种测量模式的力测量或压力测量或温度测量均在一个地点进行。

附图说明

下面结合附图对本发明做示例性的说明。

图1a示出了具有测量元件的传感器结构的截面图，该测量元件包括压电主体，该压电主体的压电效应和逆压电效应能够同时被充分用于测量值检测，而

图1b示出了根据图1a的适用于此的测量元件的立体图。

图2示意性示出了作为厚度方向剪切振动器运行时的压电主体的截面图，其中，主体中的剪切是简示的。

图3a示出了具有测量元件的传感器结构的截面图，该测量元件包括压电主体，该压电主体的压电效应和它的逆压电效应能够在作为厚度方向剪切振动器的运行中同时被充分用于测量值检测，而

图3b和图3c以立体图示出了用于在根据图3a的传感器结构中运行的测量元件的可能构型，其中，在图3c中还简示了分析和激励电子装置。

图4a示意性示出了具有主轴的单晶体的立体图，其中简示出了在切割平面中以一角度相对于主轴相交的压电主体，而

图4b示出了例如针对石英晶体相对于主轴的切割角度的推力系数和横向系数的角度相关性。

具体实施方式

在附图中示出了测量元件2，该测量元件能够被安装在传感器结构0上并且在例如被设置在电机的燃烧室中的情况下用于动态和/或静态压力的压力测量和/或温度测量。传感器结构0由测量元件2和测量元件收纳部1组成。

测量元件2具有由压电材料制成的一体式主体20，该主体被位置稳定地安装在测量收纳部1中，使得测量元件2或主体20可以在测量运行中接收力。为此，测量元件2可松脱或不可松脱地以形状配合和/或力配合的方式沿着纵向方向L被夹紧地安装在测量元件收纳部1中。

在这里，膜片10以及支座11被配置为测量元件收纳部1的部件，主体20在它们之间被夹紧。在测量元件2的运行中，可以确定沿纵向方向L作用在主体20上的力F，由此可以确定所承受的压力P。主体20具有第一侧表面21，在该第一侧表面上设置有第一侧表面电极210。在沿横向方向Ta与第一侧表面21相对置设置的第二侧表面22上设置有第二侧表面电极220。在力或压力沿纵向方向L作用在主体20上的情况下，可以在分析和激励电子装置3上测量到电压信号或电荷信号。该分析和激励电子装置3通过引线与所述两个侧表面电极210、220相连接。

在此所提出的测量元件2被设计为能够以两种测量模式同时运行，在此，通过充分利用横向效应形式的压电(或直接压电)效应和充分利用由于将测量元件2构造为厚度方向剪切振动器而引起的逆压电效应，可以借助于同一测量元件2同时测量动态压力和静态压力。主体2以厚度方向剪切振动频率f的所进行的电子激励同样通过与侧表面电极210、220相连接的分析和激励电子装置3来进行。这种厚度方向剪切振动(Dickenschwerschwingungen)平行于纵向方向或横向于纵向方向地进行并通过箭头来简示，但是在图2中仍然被准确地示出。因为在这里在侧表面电极210，220上进行了由于横向效应的电荷测量和厚度方向剪切振动的激励，因此仅需要两根引线用于分析和激励电子装置3。

如图1b中示出的那样，主体20具有在第一端表面23和第二端表面24之间延伸的长度l、沿横向方向Ta延伸的厚度a以及宽度b。在此，长度l被选择为明显大于宽度b和厚度a，由此实现了主体20的棒状造型。由于立体图的原因，仅示出了具有第一侧表面电极210的第一侧表面21。第二侧表面22和第二侧表面电极220被遮住。侧表面电极210、220被平面地设置在侧表面21、22上，在此，全平面式的造型对于改善测量结果是有利的。侧表面电极210、220也可以仅部分地遮盖侧表面21、22，并被构造为具有部分圆形或椭圆形成形的基本表面。

测量元件2的主体20由允许同时充分利用两种压电效应的压电材料构成。

压电材料中、在此为主体20中的压电性能众所周知地通过具有压电系数的压电张量来描述。

压电d张量dijk为三阶的张量，其将主体20所产生的扭曲S描述为施加电场E的结果，或者将主体20的所产生的位移电场D描述为机械应力状态T的函数。

该d张量dijk通过下列公式来定义：

其中，D是位移电场的矢量，T是应力张量，S是膨胀张量，E是电场的矢量。

在第一测量模式中充分利用在此沿横向方向Ta的压电效应，其中，力F沿平行于纵向轴线L的方向作用在主体20上。由于压电材料中的离子移动会出现极化，这是因为压电材料的每个晶胞中的负电荷和正电荷的电荷心会相对于彼此移动。然后，沿横向方向Ta就可以测量到电压或电荷。

如果如下地选择压电主体20的材料：即，使得压电d张量dijk的横向系数dijj不等于零，则可以充分地利用所述横向效应，在此，当外力F沿纵向轴线L的方向作用时，将产生沿横向方向Ta的负荷移动，该横向方向与纵向轴线L正交地延伸。为了能够充分利用这种横向效应形式的压电效应，在此，力F沿纵向轴线L的方向作用在端表面23、24上导致产生电压，主体20必须具有垂直于纵向轴线L的、不等于零的横向敏感性。

为此，必须将主体20或压电材料选择为，能够使得压电d张量dijk的横向系数dijj不等于零，在此，i＝1..3和j＝1..3。该横向系数dijj的单位为库仑每牛顿(Coloumb pro Newton)，并且可以针对所选择的材料来测量或从表格中取得。如果将主体20的材料选择为，横向系数dijj等于零，则不能充分利用所述横向压电效应。为了能够利用同一测量元件2同时测量静态压力，压电主体20同时作为厚度方向剪切振动器工作。在此，分析和激励电子装置3以厚度方向剪切频率f激励压电主体20来振动。

在图2中示意性地示出了在通过第一和第二侧表面电极210、220来激励厚度方向剪切振动的情况下主体20中的剪切。在此，主体20的剪切实际上仅发生在侧表面电极210、220的区域中，其中，在端部上不出现或几乎不出现剪切。在力F平行于纵向方向L起作用时，厚度方向剪切振动频率f将发生改变，由此可以推断出压力P的大小。主体20被加载交变电压，并在此以兆赫兹范围中的、优选为0.5至100MHz之间的频率来激励，以产生厚度方向剪切振动，进而被用作厚度方向剪切振动器。

在第二测量模式中将充分利用逆压电效应，其在此与对直接压电效应的充分利用同时地发生。

为了能够将主体20或压电材料使用作为厚度方向剪切振动器并能够充分利用逆压电效应，压电e张量eijk的推力系数eiij必须不等于零，其中，i＝1..3和j＝1..3。

为了在作为厚度方向剪切振动器使用时使主体20实现尽可能高的振动品质，压电e张量eijk的推力系数eiij的值应当尽可能得大。如果推力系数eiij的值为零，则不能实现厚度方向剪切振动，并且主体20相应地不能被用作厚度方向剪切振动器。

如图1b所示，在使用适当的压电材料的情况下可以使用仅具有侧表面电极210、220的主体20，在此，在产生压电横向效应的同时，可以通过主体20并借助于分析和激励电子装置3在侧表面电极210，220上的连接所产生的电激励，来实现厚度方向剪切振动，并由此可以充分利用逆压电效应，以便测量或者说确定力或者说压力和/或温度。

关于压电主体20的条件包括：侧表面电极210、220的设置；选择压电e张量e的推力系数eiij不等于零并且附加地压电d张量dijk的横向系数dijj不等于零的压电材料。

在图3a中示出了设置在测量元件收纳部1内部测量元件2′，该测量元件具有主体20′，该主体具有沿纵向方向L的直接压电效应。在该纵向效应下，力作用的方向和电荷移动的方向相同。为此，在该情况下，端表面电极230、240被设置在沿纵向方向L间隔开的端表面23、24上。端表面电极230、240在这里完全地覆盖端表面23，24。

端表面电极230、240以及侧表面电极210、220以公知的方法被汽化渗镀到对应的表面上，例如物理气相沉积方法(PVD)或化学气相沉积方法(CVD)。在此足够的是尽可能薄的闭合电极层。

分析和激励电子装置3在这里通过引线与端表面电极230、240和侧表面电极210、220连接。在沿纵向方向L的力作用下，可以通过分析和激励电子装置3的引线基于纵向效应来测量端表面电极230、240之间的电荷。在同时激励主体20′并作为厚度方向剪切振动器运行时，同样可以如已经描述过的那样同时测量沿横向方向Ta的逆压电效应。

关于压电主体20′的条件是：侧表面电极210、220和端表面电极230、240的设置；选择压电e张量eijk的推力系数eiij不等于零并且附加地压电d张量dijk纵向系数diii不等于零的压电材料。

为了使厚度方向剪切振动器能够实现尽可能高的振动品质，压电材料或主体20、20′分别具有大于等于0.001的机电耦合的系数kiij²，优选大于等于0.01。在压电材料中，该耦合系数kiij²表示所存储的机械能与所接收的电能的关系。

迄今为止，在测量元件中所使用的材料或者被优化到直接压电效应，或者被优化到逆压电效应，因此必须使用具有多个主体的测量元件。

在图3b中示例性示出了具有压电主体20′的测量元件2′，该压电主体表现出纵向压电效应，其中，沿纵向方向L彼此间隔开地且彼此相对置地设置第一端表面23和第二端表面24。第一端表面23配设有第一端表面电极230，并且第二端表面24配设有第二端表面电极240。端表面电极230、240被连接到在这里未示出的分析和激励电子装置上。当力沿纵向方向作用在主体20′上时，端表面电极230、240之间的电压可以被量取(abgeriffen)或可以测量电荷。因为在这里，侧表面电极210、220也沿横向方向Ta设置在相对置的侧表面21、22上，并且主体20′同样能够作为厚度方向剪切振动器工作，故而在此可以与纵向效应同时地充分利用逆压电效应来测量压力和/或测量温度。

在测量元件2、2′的一种略微变化的形式中，主体20、20′具有电极的特殊造型。在此，第一侧表面电极210与第一端表面电极230导电连接，在此，通过主体20、20′的处于第一侧表面21与第一端表面23之间的拐角形成连接。相应地，第二侧表面电极220与第二端表面电极240导电连接。该连接通过主体20、20′在第二侧表面22与第二端表面24之间的拐角形成。主体20、20′可以被选择为：其具有逆压电效应并选择性地具有横向效应和/或纵向效应。

特别是当主体20、20′具有纵向效应或横向效应并应该作为厚度方向剪切振动器工作时，相邻的侧表面电极210、220和端表面电极230、240的导电连接是有利的。在这种情况下，分析和激励电子装置3仅需要借助于两根引线连接在主体20、20′上。

用于主体20、20′的压电材料可以采用压电陶瓷，该压电陶瓷被如下地选择：它们根据使用目的的不同来满足上面提出的条件。适当的压电陶瓷以锆钛酸铅(PZT，Pb[ZrxTi1-x]O3，0≤x≤l)、钛酸铋或间位铌酸铅，例如PbNb2O6的形式存在。

但是也可以使用单晶材料形式的压电材料用于主体20、20′，例如电气石，铌酸锂(LiNbO3)，钽酸锂(LiTaO3)，具有作为稀土元素(Y，Gd，La)的Re的ReCa4O(BO3)3形式的含氧硼酸，或者如下的晶体：这些晶体属于晶体学空间群P321，例如α石英(α-SiO2)或邻位磷酸镓(GaPO4)。该空间群的其他晶体具有类似硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)的晶体结构，例如钽酸镓镧(La3Ga5.5Ta0.5O14)或铌酸镓镧(La3Ga5.5Nb0.5O14)、Ca3Ga2Ge4O14、LaGa5GeO14、Ca3TaGa3SiO14、Ca3NbGa3SiO14、Sr3TaGa3SiO14或Sr3NbGa3SiO14。

单晶体可以被高纯度地培育或者在市场上获得，在此，同样也可以有目的地培育天然条件下不会出现的晶体，例如硅酸镓镧。为了使这种单晶体制成的压电主体20、20′满足上面所提出的条件，必须有目的地对其进行处理。

如图4a中在具有主轴z的石英晶体4上示意性示出的那样，在切割平面40中以相对于石英晶体4的主轴z成切割角度α地对石英晶体4进行切割。根据所选择的角度α的不同，切出的压电主体20、20′具有不同的横向系数dijj、纵向系数diii和推力系数eiij。

在图4b中示例性地示出了石英晶体的曲线图，其中，针对各个与角度相关的横向系数dijj和推力系数eiij分别配置不同的相对于主轴z的切割角度α。

在0°(或者60°)时，系数e221是最大的，这对于产生所述厚度方向剪切振动是非常理想的，因为这将实现最高的振动品质。可惜的是，系数d211是零，因此不存在横向系数。在旋转30°(或者90°)时，横向敏感性是最高的，因为d211是最大的，但是系数e211是零并且不产生厚度方向剪切振动。

当切割角度α在5°和25°之间、35°和55°之间以及65°与85°之间时，两个系数dijj、eiij不等于零。对于单晶体可以相应地这样形成压电主体20、20′：满足上述条件，以足够的振动品质产生厚度方向剪切振动，并能够同时充分利用压电效应。

对于单晶体而言可以找到角度α，从而能够使所切出的压电主体20、20′具有不等于零的纵向系数diii并同时具有不等于零的推力系数eiij。因此可以按照如下方式切出由单晶体制成的压电主体20、20′：即，实现预期的压电特性。

按照以下公式，厚度方向剪切振动器的共振频率fR主要取决于振动器的弹性模量c66、晶体密度ρ和厚度d：

弹性模量、晶体密度和厚度与温度T相关，因此，当振动器温度改变时，共振频率也将偏移。由此，温度可以根据所确定的厚度方向剪切振动器的共振频率来确定。与温度相关的共振频率TC(fR)的相对偏差在图4c中作为石英的示例被示出。

如果弹性模量c66也取决于机械应力，那么用于共振频率fR的公式可以扩展为：

其中，F是作用在厚度方向振动器上的力。由此，根据所确定的共振频率也可以测量力。该原理例如被应用于利用石英振动器的AT切割，以制造力传感器。显然，为了确定力或压力或温度，也可以分析厚度方向剪切振动的谐波。

附图标记列表

0 传感器结构

1 测量元件收纳部

10 膜片

11 支座

2 测量元件

20 主体(压电晶体或压电陶瓷)

21 第一侧表面

210 第一侧表面电极

22 第二侧表面

220 第二侧表面电极

23 第一端表面

230 第一端表面电极

24 第二端表面

240 第二端表面电极

Ta 横向方向

L 纵向方向

d 压电d张量(三阶张量)

dijj 横向系数

diii 纵向系数

e 压电e张量

eiij 推力系数

kiij 机电耦合系数

D 位移电场的矢量

T 电压张量

S 膨胀张量

E 电场的矢量

l 长度

a 厚度

b 宽度

F 力

P 压力

f 厚度方向剪切振动频率

3 分析和激励电子装置

4 石英晶体

40 切割平面

z 主轴

α 相对于主轴的切割角度。