CH664235A5

CH664235A5 - Piezoelektrisches messelement.

Info

Publication number: CH664235A5
Application number: CH5958/84A
Authority: CH
Inventors: Peter W Dr Krempl; Johann Dr Stubenberg; Alfred Enko
Original assignee: Avl Verbrennungskraft Messtech
Priority date: 1983-12-28
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1988-02-15
Also published as: US4667127A; AT382968B; ATA455583A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Messelement, insbesondere für Messwertaufnehmer zur Messung mechanischer Grössen unter Ausnützung des longitudinalen piezoelektrischen Effektes, mit zumindest zwei scheibenförmig ausgebildeten und zu einem Schichtkörper übereinandergeschichteten Einkristallelementen, die mit ihren optischen Achsen parallel zueinander verlaufend im Messelement angeordnet und gemeinsam von der zu messenden Grösse beaufschlagbar sind und an gegenüberliegenden Oberflächen im wesentlichen senkrecht zu ihrer elektrischen Achse angeordnete, leitend anliegende Elektroden aufweisen, wobei die Elektroden der einzelnen Einkristallelemente jeweils paarweise und zumindest teilweise aneinander liegen und der Schichtkörper Verbindungsbrücken für die Elektroden gleichnamiger Ladung aufweist, in deren Umgebung die aneinanderliegenden Elektroden zweier benachbarter Einkristallelemente jeweils ausgenommen sind und wobei weiters die verbundenen Elektroden der jeweils gleichnamigen Ladungen leitend aus dem Messelement herausgeführt sind.

Aus Einkristallen zusammengesetzte piezoelektrische Messelemente sind beispielsweise aus der AT-PS 237 928 bzw. auch aus der AT-PS 237 930 bekannt, wobei dort der longitudinale Piezoeffekt ausgenützt wird. Diese Messelemente bestehen aus wenigstens drei zu einem Schichtkörper übereinandergeschichteten Scheiben aus vorzugsweise Quarzkristallen, zwischen denen Elektroden zur Ableitung der elektrischen Ladungen vorgesehen sind, wobei die Elektroden gleicher Ladung leitend miteinander verbunden sind.

Es sind in diesem Zusammenhang auch Herstellungsverfahren bekannt, durch welche die Einkristallplättchen mittels der metallischen Zwischenschichten zu einem eine Einheit bildenden Schichtkörper fest verbunden z.B. zusammengeschweisst, gelötet oder gesintert sind. Die Flächennormale dieser Plättchen ist aufgrund der Ausnutzung des longitudinalen Piezoeffektes parallel zur elektrischen Achse des Einkristalls.

Zur Vereinfachung der Erklärung der zum Verständnis der Erfindung dienenden kristallographischen Grundlage, wird auf die im folgenden ausführlich besprochene Zeichnung verwiesen, in der Fig. 1 die Lage der kristallographischen X-, Y- und Z-Achse in bezug auf zwei bestimmte Einkristallelemente am Beispiel eines Quarzkristalls zeigt; die erst später besprochenen Fig. 2 und 3 zeigen die Kontaktierung bzw. Anordnung der einzelnen Kristallelemente in einem erfindungsgemässen Messelement sowie die Ableitung der Messsignale von einem derartigen Messelement in einem Messwertaufnehmer; die Fig. 4 und 7 zeigen Draufsichten auf Einkristallelemente zur Verwendung in einem erfindungsgemässen Messelement und die Fig. 5, 6 und 8 entsprechende Schnitte, wie sie in den Fig. 4 und 7 eingezeichnet sind.

Gemäss Fig. 1 kann man sich die einzelnen Einkristallelemente 1 aus dem gesamten Kristall 2 (in dieser Figur ein Quarz) herausgeschnitten denken. Die Krafteinleitung erfolgt in diesem Fall parallel zur X-Achse und die piezoelektrische Empfindlichkeit wird durch den Piezomodul du beschrieben. Da die Krafteinwirkung senkrecht zu der aus Y- und Z-Achse gebildeten Ebene erfolgt, spielt die Orientierung der Z-Achse, welche als optische Achse bezeichnet wird, im Messwertaufnehmer keine Rolle.

Diese Situation ist bei Messwertaufnehmern, welche den transversalen piezoelektrischen Effekt ausnützen, eine ganz andere. In Fig. 1 ist ein Kristallstab 3 gezeichnet, welcher ein Messelement für einen Messwertaufnehmer auf dem Prinzip des transversalen Piezoeffektes darstellt. Wie beim Kristallplättchen 1 sind auch hier die zur Y-X-Ebene parallelen Flächen des Kristalls zur Ladungsabnahme leitend beschichtet. Wie beim longitudinalen Effekt erfolgt auch hier die elektrische Polarisation parallel zur X-Achse. Der wesentliche Unterschied liegt in der Krafteinleitung, welche zur Ausnutzung des transversalen Piezoeffektes parallel zur Y-Achse erfolgt. Da eine Krafteinleitung parallel zur Z-Achse keine dielektrische Verschiebung hervorruft, der Kristall also gegen Krafteinwirkung parallel zur optischen Achse umempfindlich ist, muss man bei Ausnutzung des transversalen Piezoeffektes darauf achten, dass die Krafteinwirkung möglichst parallel zur Y-Achse des Kristalls erfolgt. Werden mehrere Kristallstäbe in einem Messwertaufnehmer auf dem Prinzip des transversalen Piezoeffektes verwendet, so muss aus den genannten Gründen stets auf die Orientierung der Y-Achse grosser Wert gelegt werden.

Da auch bei piezoelektrischen Messwertaufnehmern, welche auf dem longitudinalen Piezoeffekt beruhen und Plättchen der Form 1 verwenden, in der Praxis Kräfte senkrecht zur X-Achse auftreten, wurde gemäss der eingangs bereits zitierten AT-PS 237 928 bereits vorgeschlagen ein piezoelektrisches Messelement bestehend aus n Einkristall-Plättchen (n > 3), so aufzubauen, dass die Y-Achse von einem Plättchen zum anderen Plättchen um einen Winkel, welcher vorzugsweise mit 360°/n angegeben wird, gedreht werden, so dass die Y-Achsen des gesamten Elements eine Schraubenfläche bilden, welche sich vom ersten bis zum letzten Plättchen um 360° dreht. Durch diese Massnahme sollte die Querempfindlichkeit des Piezoelements, d.h. die piezoelektrische Empfindlichkeit gegenüber Kräften senkrecht zur X-Achse, nach allen Richtungen gleich sein.

Da bei einem piezoelektrischen Messwertaufnehmer auf dem Prinzip des longitudinalen Piezoeffektes Kräfte senkrecht zur X-Achse stets als störende Kräfte angesehen werden müssen und diese Kräfte, soweit sie von aussen kommen, durch konstruktive Massnahmen bei der Auslegung des Sensorgehäuses wirkungsvoller ausgeschlossen werden können, wirkt die gleich5

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massige Empfindlichkeit des Piezomoduls bezüglich messwert-verfälschender Kräfte senkrecht zur X-Achse aber eher nachteilig. Insbesondere beispielsweise bei der Verwendung von vier Einkristallelementen, wo der Drehwinkel von einem Kristallelement zum anderen gemäss der bekannten Ausführung genau 90° beträgt, treten durch die oben genannte Massnahme aufgrund der verschieden grossen Ausdehnungskoeffizienten der Kristallplättchen in der Y- bzw. Z-Richtung an den Trennflächen zwischen zwei Plättchen bei Erwärmung erhebliche Querspannungen auf, welche sozusagen als innere Spannungen des Piezomoduls das Messresultat verfälschen. Ebenso bewirkt der verschiedene elastische Querkontraktionskoeffizient nichtlineare Schubspannungen bei Kraft- bzw. Druckbeaufschlagung und führt dadurch zu einer Nichtlinearität des Messsignals.

Weiters sind beispielsweise aus der AT-PS 271 947 Messelemente der eingangs genannten Art bekannt, bei denen die scheibenförmig ausgebildeten Einkristallelemente mit ihren optischen (Z) Achsen parallel zueinander verlaufend im Messelement angeordnet sind. Damit ist erreicht, dass sich die Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Scheiben in allen Richtungen gleichen und Verspannungen an den Trennflächen zwischen den Scheiben vermieden werden. Zur Ladungsableitung sind bei dieser bekannten Ausbildung die Elektroden jeder Seite der einzelnen Scheiben mit Verlängerungen versehen, die durch Bohrungen im Einkristall auf die jeweils gegenüberliegende Oberfläche reichen, und dort umgestülpt sind und mit für die Isolierung notwendigem Abstand in eine Aussparung der dortigen Elektrode passen. Über Markierungen oder dergleichen wird sichergestellt, dass die umgestülpten Verbindungsbrücken von zwei aneinanderliegenden Einkristallelementen übereinanderliegen, so dass insgesamt gesehen, eine Parallelschaltung der Einkristallelemente im Messelement vorliegt.

Eine hinsichtlich der Anordnung bzw. Orientierung der einzelnen Einkristallelemente sowie auch der Ausbildung der Verbindungsbrücken ähnliche Ausführung ist auch aus der AT-PS 278 402 bekannt.

Die Nachteile dieser bekannten Anordnungen liegen vor allem im unvermeidlichen Verlust eines Teiles der Ladungsmenge, die von den einzelnen Einkristallelementen abgenommen werden kann. Einerseits kann die auf der Isolierzone zwischen der umgeklappten Zunge bzw. Verlängerung der Verbindungsbrücke und der Ausnehmung der umgebenden Elektrode entstehende Ladung nicht abgeführt werden und andererseits wirkt die Ladung, die unter der umgeklappten Elektrode auf der gegenüberliegenden Einkristalloberfläche auftritt, aufgrund ihrer umgekehrten Polung der Ladung der Kontaktfläche der Verbindungsbrücke entgegen, was zu einem in bezug auf die tatsächliche Fläche der Kontaktzone sogar doppelten Ladungsverlust führt. Insbesondere bei sehr klein ausgeführten Einkristallelementen — die natürlich nach wie vor eine bestimmte Isolierzone und eine bestimmte Kontaktzone der einzelnen Verbindungsbrücken haben müssen — wirken sich diese Ladungsverluste immer stärker aus und führen beispielsweise bei etwa 3 mm im Durchmesser aufweisenden Einkristallelementen — wie sie im Zusammenhang mit in Indizierbohrungen von Brennkraftmaschinen einsetzbaren Druckaufnehmern durchaus üblich sind — bereits zu Empfindlichkeitsverlusten von etwa 25%. Weiters können bei dieser bekannten Ausbildung sehr leicht Kriechladungen in der Isolierzone auftreten, welche die Messung in unerwünschter Weise beeinflussen.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Messelement der eingangs genannten Art zu schaffen, welches gegenüber den bisher bekannten derartigen Elementen nicht nur eine geringe Störempfindlichkeit bezüglich thermischer oder mechanischer Beanspruchungen sondern auch möglichst geringe Ladungsverluste zufolge der erforderlichen Elektrodenanordnung zur Ladungsableitung und damit insbesondere auch bei sehr klein ausgeführtem Messelement möglichst hohe Empfindlichkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die jeweils an den einander abgewandten Oberflächen der benachbarten Einkristallelemente angeordneten Elektroden im Bereich der ausgenommenen aneinanderliegenden Elektroden über eine an der Mantelfläche anliegende, durchgehende Verbindungsbrücke elektrisch leitend verbunden sind und dass die Verbindungsbrücken seitlich am Schichtkörper nach dem Zusammenbau desselben durch leitende Beschichtung aufgebracht sind.

Durch diese Ausgestaltung werden die genannten Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden, wobei man davon ausgeht, dass aufgrund der Anordnung der Einkristallelemente mit ihren optischen (Z) Achsen parallel zueinander verlaufend keine Scherbewegungen an den Kontaktflächen zwischen den einzelnen Einkristallelementen auftreten können, was in sehr einfacher Weise unmittelbar die Kontaktierung der Elektroden von der Mantelfläche des Stapels der Einkristallelemente her, vorzugsweise durch aufgedampfte, aufgesputterte oder auf sonstige Weise leitend aufgebrachte Verbindungsbrücken, ermöglicht. Besonders günstig erweist sich dabei auch die mit der beschriebenen Ausrichtung der einzelnen Einkristallelemente erheblich verbesserte Stabilität gegenüber der Ausbildung von Dauphiné-Zwillingen. Ein Dauphiné-Zwilling ist ein Bereich des Einkristalls, in dem die X-Achse um 180° um die Z-Achse gegenüber der X-Achse des übrigen Kristalls verdreht ist. Die Ausbildung solcher Dauphiné-Zwillinge bewirkt einen plötzlichen Empfindlichkeitsverlust des Piezoelements, da in dem Bereich des Dau-phiné-Zwillings die durch die zu messende Grösse hervorgerufenen Ladungen das entgegengesetzte Vorzeichen der Ladungen ausserhalb dieses Bereiches tragen.

Bezeichnet man mit F die Fläche des Kristalls, von der die Ladungen durch z.B. leitende Beschichtung, als Messsignal abgeleitet werden, und Fz den Teil der Fläche, welche vom Zwil-lingsdömain gebildet wird, so ist die resultierende Ladung durch folgenden Ausdruck gegeben:

Q = du (1 - 2 Fz / F) • k wenn k die Normalkomponente der Kraft auf die Fläche bezeichnet. Man sieht, dass bereits bei einer Verzwilligung von 50% die Empfindlichkeit Q/k auf Null absinkt. Diese Zwillinge treten z.B. bei Quarz und Berlinit (AIPO4), vor allem bei Temperaturen über 200°C auf. Durch das Auftreten von Scherspannungen wird diese Zwillingsbildung begünstigt. Durch die beschriebene Ausrichtung der optischen (Z) Achsen werden diese Scherspannungen vermieden und es zeigt sich, dass die Temperaturgrenze, bei der Zwillinge bei gleichen Druck auftreten, bei Quarz um bis zu 50° C angehoben wird.

Die verwendeten Einkristallelemente können beispielsweise zur kristallographischen Punktgruppe 32(Ds) gehören, da diese Elemente nicht nur einfach herstellbar sind sondern auch ein sehr gutes Temperaturverhalten zeigen, wobei die piezoelektrischen Eigenschaften auch bis in beispielsweise für Quarz und Berlinit unerreichbare Temperaturbereiche gegeben bleiben.

In Fig. 2 wird ein Schnitt durch einen Messwertaufnehmer — ausgebildet als Drucksensor — mit mehreren Einkristallelementen 4 gezeigt, der neben den als Messkristall dienenden Kristallelementen 4 noch weitere Kristallelemente 5, 6 als Abschlusselemente beinhaltet. Die Z-Achsen dieser Abschlusskristalle liegen ebenfalls parallel zu den Z-Achsen der Messkristalle 4, wobei aber die gegenüberliegenden Elektroden dieser Einkristallelemente 5, 6 leitend miteinander verbunden sind, so dass die Einkristalle kurzgeschlossen sind und keinen Beitrag zum piezoelektrischen Signal liefern. Die Elektroden dieser Einkristallelemente werden bei einpoliger Ausführung des Messwertaufnehmers vorteilhafterweise mit der Gehäusemasse elek5

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trisch leitend verbunden. Das aus den Einkristallelementen 4 bis 6 bestehende Messelement ist in diesem Ausführungsbeispiel zusammen mit einer Kompensationsscheibe 7 in einer Vorspannhülse 9 angeordnet, die in nicht näher dargestellter Weise mit dem Gehäuse 8 des Messwertaufnehmers in Verbindung steht und an der dem zu messenden Medium zugewandten Seite über eine Membran 10 vom zu messenden Druck beaufschlagbar ist. Die Ableitung der Messsignale vom Messelement bzw. von den einzelnen Elektroden der Einkristallelemente erfolgt über eine Ableitung 11 einerseits und über die Gehäusemasse andererseits. Ebenfalls ersichtlich ist noch eine im Gehäuse des Messwertaufnehmers eingesetzte Isolierhülse 12; auf weitere Einzelheiten ist in dieser Darstellung verzichtet worden.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines elektrischen Schaltbildes für ein erfindungsgemässes Messelement. Durch die kurzgeschlossenen Abschlusselemente 5, 6 werden der verschiedene Ausdehnungskoeffizient und die Unterschiede in der mechanischen Querkontraktion zwischen den Einkristallelementen und dem hier nicht dargestellten anschliessenden Gehäuse ausgeglichen.

In den Fig. 4 und 5 ist ein Einkristallelement 4 dargestellt, welches auf seinen gegenüberliegenden Oberflächen Elektroden 13, 14 für die ( + ) bzw. (-) Ladungen aufweist. In in Richtung der optischen (Z) Achsen der Einkristallelemente 4 liegenden Bereichen sind Oberflächenbereiche 15 auf den Einkristallelementen vorgesehen, welche keine Elektroden tragen.

Gemäss den Fig. 7 und 8 werden zur Herstellung eines erfindungsgemässen Messelementes zuerst die Einkristallelemente 4 miteinander verbunden, wobei die Verbindung durch verschiedene Verfahren, z.B. Kaltpressschweissen, Ultraschallschweis-sen, Löten, Kleben oder Schweissen hergestellt werden kann. Nach dem Verbinden der Einkristallelemente 4 werden in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung seitlich Nuten 16 aus dem Stapel herausgearbeitet, auf deren Grund die Verbindungsbrücken 17, 18 angebracht werden, die die Elektroden 13, 14 der Einkristallelemente 4 elektrisch miteinander verbinden. 5 Aufgrund der nicht mit den Elektroden bedeckten Bereiche 15 ist im Bereich der Nut eine Isolierzone zur Verbindungsbrücke der jeweils anderen Polarität ausgespart. Die Verlustfläche und damit der Ladungsverlust bei einem Plättchen mit etwa 3 mm Durchmesser kann auf diese Weise auf etwa 2,5% reduziert io werden.

Ein Zusammenschalten der einzelnen Einkristallelemente ist dabei aber auch one Einfräsen einer Nut in den Stapel der Einkristallelemente möglich. Dabei wird ein beispielsweise gemäss Fig. 6 ausgebildetes Einkristallelement 4 verwendet, bei 15 dem die Elektroden 13', 14' einen über eine Phase 19 hinausreichenden Kontakt besitzen, der unmittelbar durch eine an der Mantelfläche angebrachte Verbindungsbrücke kontaktiert werden kann.

Schliesslich kann gemäss einer anderen vorteilhaften Ausge-20 staltung der Erfindung noch vorgesehen sein, dass die Flächennormalen der Verbindungsbrücken 17, 18 jeweils einen Winkel von < 40° mit der optischen (Z) Achse der Einkristallelemente bilden. Damit kann eine Beeinflussung des Signals durch Piezo-signale, die aufgrund von transversalen Piezoeffekten beim 25 Auftreten von Kräften normal zur X-Achse entstehen können vermieden werden.

Durch die beschriebene Ausbildung der Verbindungsbrücken zwischen den einzelnen Kristallelementen wird die Herstellung eines derartigen Messelementes sehr vereinfacht und auch für 30 die rationelle Herstellung von grossen Stückzahlen, z.B. mit Photolithographie, geeignet.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Piezoelektrisches Messelement, insbesondere für Messwertaufnehmer zur Messung mechanischer Grössen unter Ausnützung des longitudinalen piezoelektrischen Effektes, mit zumindest zwei scheibenförmig ausgebildeten und zu einem Schichtkörper übereinandergeschichteten Einkristallelementen, die mit ihren optischen (Z) Achsen parallel zueinander verlaufend im Messelement angeordnet und gemeinsam von der zu messenden Grösse beaufschlagbar sind und an gegenüberliegenden Oberflächen im wesentlichen senkrecht zu ihrer elektrischen (X) Achse angeordnete, leitend anliegende Elektroden aufweisen, wobei die Elektroden der einzelnen Einkristallelemente jeweils paarweise und zumindest teilweise aneinander liegen und der Schichtkörper Verbindungsbrücken für die Elektroden gleichnamiger Ladung aufweist, in deren Umgebung die aneinanderliegenden Elektroden zweier benachbarter Einkristallele-mente jeweils ausgenommen sind und wobei weiters die verbundenen Elektroden der jeweils gleichnamigen Ladungen leitend aus dem Messelement herausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils an den einander abgewandten Oberflächen der benachbarten Einkristallelemente (4) angeordneten Elektroden (13, 14; 13', 14') im Bereich (15) der ausgenommenen aneinanderliegenden Elektroden über eine an der Mantelfläche anliegende, durchgehende Verbindungsbrücke (17, 18) elektrisch leitend verbunden sind und dass die Verbindungsbrücken (17, 18) seitlich am Schichtkörper nach dem Zusammenbau desselben durch leitende Beschichtung aufgebracht sind.

2. Messelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbrücken (17, 18) am Grund von aus dem Schichtkörper herausgearbeiteten Nuten (16) angebracht sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Messelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächennormalen der Verbindungsbrücken (17, 18) jeweils einen Winkel < 40° mit der optischen (Z) Achse der Einkristallelemente (4) bilden.