DE102009036567A1

DE102009036567A1 - Drucksensor sowie Verfahren zur Druckerfassung

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Publication number: DE102009036567A1
Application number: DE200910036567
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Arnold; Hubert Gleichmann; Karl-Heinz Suphan; Reimund Müller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-02-10

Abstract

Offenbart ist ein Drucksensor 1 zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle, mit zumindest einem piezoelektrischen Sensorelement 2, wobei das Sensorelement 2 mindestens eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle aufweist. Erfindungsgemäß ist zumindest ein druckbeaufschlagbares elektronisches Bauteil 4 vorgesehen, wobei das akustische Oberflächenwellensignal in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts des Bauteils 4 modulierbar ist und eine fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung ausbildet. Weiterhin offenbart ist ein Verfahren zur Druckerfassung gemäß dem eine akustische Oberflächenwelle mittels zumindest einer auf der Oberfläche eines Sensorkörpers 2 angeordneten Elektrodenstruktur erregt und in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwertes eines elektronischen Bauteils 4 moduliert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor und ein Verfahren zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle, mit zumindest einem druckbeaufschlagbaren piezoelektrischen Sensorelement, dem mindestens eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle zugeordnet ist.
Zur Erfassung von Druckwerten ist beispielsweise aus der EP 1 505 379 A1 ein fernabfragbarer, als Reifendrucksensor ausgebildeter Drucksensor bekannt, der akustische Oberflächenwellen (Surface-Acoustic-Waves = SAW) zur Druckerfassung verwendet. Bei dieser Lösung wird eine akustische Oberflächenwelle auf einer Oberfläche eines piezoelektrischen Elements erzeugt, indem eine Wechselspannung zwischen interdigitalen Elektrodenstrukturen angelegt wird, die alternierend auf dem piezoelektrischen Element ausgebildete Elektrodenfinger aufweisen. Hierbei werden im Bereich der Minus- und Plus-Elektrodenfinger in entgegengesetzten Richtungen wirkende Beanspruchungen in die Oberfläche des piezoelektrischen Elements eingekoppelt, wobei die Plus-/Minuspolaritäten der Elektrodenfingern in Abhängigkeit der Wechselspannung reversieren, so dass die Orientierungen der eingeleiteten Beanspruchungen ebenfalls periodisch reversieren und eine akustische Oberflächenwelle auf dem piezoelektrischen Element erzeugen. Dem Drucksensor ist eine druckbeaufschlagbare Membran zugeordnet, die in Abhängigkeit des Druckniveaus in Richtung der Elektrodenfinger auslenkbar ist, um diese druckabhängig zu kontaktieren und das Messsignal zu modulieren. Aufgrund der diskreten Abstände der durch die Membran zur Druckerfassung kontaktierbaren Elektrodenfinger, ist die Messauflösung dieser herkömmlichen Drucksensoren begrenzt, so dass derartige Sensoren vielfach den hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit nicht genügen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor und ein Verfahren zur Druckerfassung zu schaffen, bei denen eine verbesserte Messung ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Druckerfassung mit der Merkmalskombination des Patentanspruches 14 gelöst.
Der erfindungsgemäße Drucksensor oder Druckwellensensor zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle verwendet zumindest ein piezoelektrisches Sensorelement (SAW-Temperatursensorchip), wobei das Sensorelement mindestens eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle aufweist. Erfindungsgemäß ist zumindest ein druckbeaufschlagbares elektronisches Bauteil vorgesehen, welches auf den Umgebungsdruck reagiert, wobei das akustische Oberflächenwellensignal in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts des Bauteils modulierbar ist und eine fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung ausbildet. Aufgrund der zur Druckerfassung verwendeten modulierten Oberflächenwellensignale als fernabfragbare Messgröße, wird eine an die hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit genügende Messauflösung erreicht.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zumindest ein kapazitives Element als elektronisches Bauteil vorgesehen, dem ein druckbeaufschlagbares Dielektrikum zugeordnet ist, wobei die akustische Oberflächenwelle, und damit das Sensorsignal in Abhängigkeit der druckabhängigen Permittivität des Dielektrikums, d. h. in Abhängigkeit der Kennwerte des kapazitiven Elements modulierbar ist. Eine Druckänderung des Dielektrikums bewirkt eine druckabhängige Änderung der Dielektrizitätskonstante und somit der Kapazität des elektronischen Bauteils.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das elektronische Bauteil mit dem Sensorelement in einem Parallelschwingkreis angeordnet.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als kapazitives Element ein Kondensator verwendet wird. Der Kondensator kann beispielsweise als Plattenkondensator mit einander gegenüberliegend angeordneten plattenförmigen Kondensatorelektroden ausgebildet sein. Die Kondensatorelektroden werden mit der Elektrodenstruktur des Sensorelements vorzugsweise zu dem Parallelschwingkreis verschaltet.
Das Sensorelement ist bevorzugt ein hochtemperaturbeständiger, piezoelektrischer Kristall aus der Gruppe Galliumorthophosphat (GaPO₄), Zinkoxid (ZnO), Langasit, Langatat, Langanat und/oder Quarz. Die Elektrodenstruktur ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Drucksensors als eine Interdigitalstruktur mit einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Elektrodenfinger ausgebildet. Hierbei erstrecken sich vorzugsweise erste Elektrodenfinger in und zweite Elektrodenfinger entgegen der Richtung der kristallographischen x-Achse des piezoelektrischen Sensorelements.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn der Drucksensor ein elektrisch isolierendes, vorzugsweise keramisches Sensorgehäuse zur Aufnahme des Sensorelements und des elektronischen Bauteils aufweist.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Sensorgehäuse ein elektrisch nichtleitendes, insbesondere keramisches Grundsubstrat auf. Vorzugsweise sind Sensorelement und elektronisches Bauteil auf dem Grundsubstrat angeordnet.
Als Dielektrikum findet vorzugsweise Luft und/oder zumindest ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas, Verwendung.
Das Sensorgehäuse ist mit zumindest einer Abdeckung versehen, die bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mindestens eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung einen Druckausgleich (Gasaustausch) zwischen der Kavität des Sensorgehäuses und der Sensorumgebung ermöglicht. Die Abdeckung wird vorzugsweise hochtemperaturfest mittels eines keramischen Klebstoffs oder Glaslots an dem Grundsubstrat befestigt.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Drucksensors ist die Abdeckung als Druckwellen detektierende Membran ausgebildet, welche die Kavität abschließt. Als Dielektrikum findet bei dieser Lösung vorzugsweise Inertgas Verwendung, wobei die abgedichtete Kavität des Sensorgehäuses mit dem Inertgas befüllt ist. Das Sensorgehäuse kann insgesamt hochtemperaturfest und diffusionsdicht ausgeführt sein.
Zur Ankopplung, insbesondere an ein hartes Messobjekt mit hohen Druckwellenbeschleunigungen, kann erfindungsgemäß ein Koppelkörper, beispielsweise aus einem Elastomer oder Weichmetall, mit angepassten Materialeigenschaften verwendet werden.
Dem Sensorgehäuse ist bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zumindest ein Antennensystem zur Fernabfrage zugeordnet. Das Antennensystem weist vorzugsweise eine Antenne auf, die an dem Sensorgehäuse befestigt ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Druckerfassung mit einem derartigen Drucksensor wird eine akustische Oberflächenwelle mittels zumindest einer auf der Oberfläche eines Sensorkörpers angeordneten Elektrodenstruktur erregt und in Abhängigkeit des druckabhängigen Kennwertes zumindest eines auf den Umgebungsdruck reagierenden, druckbeaufschlagbaren elektronischen Bauteils moduliert. Anschließend erfolgt eine Fernabfrage der modulierten akustischen Oberflächenwelle zur Druckerfassung. Der modulierten akustischen Oberflächenwelle ist ein Drucksignal aufgeprägt, das beispielsweise über eine Antenne an eine Empfängereinheit übertragen wird.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Modulation der Oberflächenwelle in Abhängigkeit der druckabhängigen Permittivität zumindest eines kapazitiven Elements, dem ein druckbeauschlagbares Dielektrikum zugeordnet ist.
Vorzugsweise wird die druckabhängige Permittivitätsänderung des Dielektrikums eines Kondensators zur Modulation des akustischen Oberflächenwellensignals verwendet.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Grundersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Drucksensors und
2 eine Einzeldarstellung des als Kondensator ausgebildeten kapazitiven Elements aus 1.
1 zeigt ein schematisches Grundersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Drucksensors 1 zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle, mit einem anhand eines Ersatzschaltbildes dargestellten piezoelektrischen Sensorelement 2 (SAW-Temperatursensorchip), das eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle aufweist. Erfindungsgemäß ist ein druckbeauschlagbares elektronisches Bauteil 4 vorgesehen, welches auf den Umgebungsdruck reagiert, wobei das akustische Oberflächenwellensignal in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts des Bauteils 4 modulierbar ist und eine fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung ausbildet. Aufgrund der als fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung verwendeten modulierten Oberflächenwelle, wird eine hohe Anforderung an die Messgenauigkeit durch genügende Messauflösung erreicht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das elektronische Bauteil 4 als kapazitives Element, insbesondere als Kondensator 4 ausgebildet, dem ein druckbeaufschlagbares Dielektrikum 6 zugeordnet ist, wobei die akustische Oberflächenwelle und damit das Sensorsignal in Abhängigkeit der druckabhängigen Permittivitätsänderung des Dielektrikums 6 des Kondensators 4 modulierbar ist. Der Kondensator 4 ist hierzu mit dem Sensorelement 2 in einem Parallelschwingkreis angeordnet. Eine Druckänderung des Dielektrikums 6 bewirkt eine druckabhängige Änderung der Dielektrizitätskonstante und somit der Kapazität des Kondensators 4. Aktive Bauelemente 8, wie piezoresistive Dehnmessstreifen oder Piezoaktoren, können in Reihe zu dem Parallelwiderstand angeordnet werden.
Wie insbesondere 2 zu entnehmen, die eine Einzeldarstellung des Kondensators 4 aus 1 zeigt, ist dieser als Plattenkondensator mit zwei einander gegenüberliegend angeordneten plattenförmigen Kondensatorelektroden 10, 12 ausgebildet. Der Kondensator 4 hat einen etwa rechteckigen, ringförmigen Grundkörper 14 aus einer Keramik, wobei die Kondensatorelektroden 10, 12 als metallisierte, parallele Flächen ausgebildet sind. Die Kondensatorelektroden 10, 12 werden mit der Elektrodenstruktur des piezoelektrischen Sensorelements 2 zu dem Parallelschwingkreis gemäß 1 verschaltet. Hierzu sind Anschlussleiter 16, 18 (Anschlussdrähte) an die Kondensatorelektroden 10, 12 des Kondensators 4 angebonded, die mit der Elektrodenstruktur des Sensorelements 2 verbunden sind.
Die nicht dargestellte Elektrodenstruktur des Sensorelements 2 ist als Interdigitalstruktur mit einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Elektrodenfinger ausgebildet, wobei die Auslegung der Interdigitalstruktur im Folgenden näher erläutert wird.
Die Schallgeschwindigkeit v_D in dem Sensorelement 2 wird aus dem Produkt der Resonanzfrequenz f und der Periodenlänge L gemäß der Gleichung
ermittelt. Dies ergibt sich aus der elektroelastischen Bedingung für die elastische Steifigkeit C E / 33 und einer Dichte ρ des Sensorelements 2.
Die Schallgeschwindigkeit für die Oberflächenwellen in dem verwendeten Quarzkristall beträgt etwa 4849,6 ms^–1, so dass sich eine Frequenzkonstante der Oberflächenwelle mit
ergibt. Dies erfordert bei 433.000.000 Hz einen intermediären Abstand a der Elektrodenfinger der Interdigitalstruktur von
da die Elektrodenfinger unterschiedlicher Polarität eine viertel Periode auseinander liegen müssen. Durch Anlegen eines hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes mit einer Frequenz von 433 MHz an die Interdigitalstruktur wird das Sensorelement 2 entsprechend zum Schwingen angeregt.
Das Sensorelement 2 ist aus einem Schnitt eines piezoelektrischen Quarz-Kristalls aus der Raumgruppe P3₂21 oder P3₁21 hergestellt. Bei Verwendung von Quarz wird vorzugsweise ein Schnitt mit dem Eulertransformations-Winkel im Bereich von etwa XZX = 0°, 37,62°, 0° vorgesehen. Ferner sind ST-Schnitte mit einem Winkel im Bereich von etwa XZX = 0°, 42,30°, 0° einsetzbar. Der ST-Schnitt repräsentiert näherungsweise die Rhomboederfläche von Quarz, welche eine Verkippung der y-z-Ebene von 37,62° aufweist. Der Zieltemperaturbereich des Drucksensors 1 liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 500° bis über 1000°C. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung finden piezoelektrische Kristalle aus der Gruppe Galliumorthophosphat (GaPO₄), Zinkoxid (ZnO), Langasit (LGS), Langatat und/oder Langanat Verwendung.
Der Drucksensor 1 hat ein nicht dargestelltes keramisches Sensorgehäuse zur Aufnahme des Sensorelements 2 und des Kondensators 4. Als fertigungstechnisch besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Sensorgehäuse ein elektrisch nichtleitendes, keramisches Grundsubstrat aufweist, wobei das Sensorelement 2 und der Kondensator 4 auf dem Grundsubstrat angeordnet sind. Das Sensorgehäuse ist mit einer Abdeckung versehen, die eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung einen Gasaustausch zwischen der Kavität des Sensorgehäuses und der Sensorumgebung ermöglicht, so dass im Bereich des Kondensators 4 der Umgebungsdruck anliegt, der über eine Veränderung der Dielektrizitätszahl eine Modulation der Oberflächenwelle bewirkt. Die Abdeckung ist hochtemperaturfest mittels eines keramischen Klebstoffes an dem Grundsubstrat befestigt. Das Sensorgehäuse ist insgesamt hochtemperaturfest ausgeführt, wobei der Zieltemperaturbereich des Drucksensors 1 in einem Bereich von etwa 500° bis über 1000°C liegen kann. Zur Ankopplung, insbesondere an ein hartes Messobjekt mit hohen Druckwellenbeschleunigungen, kann ein Koppelkörper, beispielsweise aus einem Elastomer oder Weichmetall, mit angepassten Materialeigenschaften verwendet werden.
Dem Sensorgehäuse ist ferner ein nicht dargestelltes Antennensystem zur Fernabfrage zugeordnet, das eine außen an dem Grundsubstrat des Sensorgehäuses befestigte Antenne aufweist. Einem elektromagnetischen Wechselfeld von 433 MHz entspräche im Idealfall ein metallischer Dipol von 34 cm Länge. Das Wechselfeld wird dann durch einen 34 cm langen, durch den Chip bei 17 cm unterbrochenen Stabdipol in die Interdigitalstruktur eingekoppelt. Die sich im Bereich der Interdigitalstruktur hinwegbewegenden Wellen werden über den oben genannten Dipol wieder ausgekoppelt. Ein Resonanzkreis des Sensorelements 2 wird von einem Paar aus je zwei Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität gebildet. Diese vier Elektrodenfinger weisen eine Länge von einer viertel Wellenlänge auf (λ/4). Die Eigenschaften dieser Zone gehen wesentlich über die eines L, C-Kreises hinaus.
Offenbart ist ein Drucksensor 1 zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle, mit zumindest einem piezoelektrischen Sensorelement 2, wobei das Sensorelement 2 mindestens eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle aufweist. Erfindungsgemäß ist zumindest ein druckbeaufschlagbares elektronisches Bauteil 4 vorgesehen, wobei die akustische Oberflächenwelle in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts des Bauteils 4 modulierbar ist und eine fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung ausbildet. Weiterhin offenbart, ist ein Verfahren zur Druckerfassung, gemäß dem eine akustische Oberflächenwelle mittels zumindest einer auf der Oberfläche eines Sensorkörpers 2 angeordneten Elektrodenstruktur erregt und in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwertes eines elektronischen Bauteils 4 moduliert wird.
Bezugszeichenliste

1: Drucksensor
2: Sensorelement
4: elektronisches Bauteil (Kondensator)
6: Dielektrikum
8: aktives Bauteil
10: Kondensatorelektrode
12: Kondensatorelektrode
14: Grundkörper
16: Anschlussleiter
18: Anschlussleiter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1505379 A1 [0002]

Claims

Drucksensor zur fernabfragbaren Erfassung einer Druckwelle, mit zumindest einem piezoelektrischen Sensorelement (2), wobei das Sensorelement (2) mindestens eine Elektrodenstruktur zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle aufweist, gekennzeichnet durch zumindest ein druckbeaufschlagbares elektronisches Bauteil (4), wobei die akustische Oberflächenwelle in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts des Bauteils (4) modulierbar ist und eine fernabfragbare Messgröße zur Druckerfassung ausbildet.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (4) ein kapazitives Element ist, dem ein druckbeaufschlagbares Dielektrikum (6) zugeordnet ist, wobei die akustische Oberflächenwelle in Abhängigkeit der druckabhängigen Permittivität des Dieelektrikums (6) modulierbar ist.
Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Element ein Kondensator (4) ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (4) mit dem Sensorelement (2) in einem Parallelschwingkreis angeordnet ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Dielektrikum (6) Luft und/oder zumindest ein Inertgas vorgesehen ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein elektrisch isolierendes, vorzugsweise keramisches Sensorgehäuse zur Aufnahme des Sensorelements (2) und des elektronischen Bauteils (4).
Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse ein elektrisch nichtleitendes, vorzugsweise keramisches Grundsubstrat aufweist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse zumindest eine Abdeckung aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass, die Abdeckung zumindest eine Öffnung aufweist, die einen Druckausgleich (Gasaustausch) zwischen der Kavität des Sensorgehäuses und der Sensorumgebung ermöglicht.
Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass, die Abdeckung als Druckwellen detektierende Membran ausgebildet ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen Koppelkörper zur Ankopplung an ein Messobjekt.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) ein piezoelektrisches Kristall aus der Gruppe Galliumorthophosphat (GaPO₄), Zinkoxid (ZnO), Langasit, Langatat, Langanat und/oder Quarz ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Antennensystem zur Fernabfrage.
Verfahren zur Druckerfassung mittels eines Drucksensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Erregen einer akustischen Oberflächenwelle mittels zumindest einer auf der Oberfläche eines Sensorkörpers (2) angeordneten Elektrodenstruktur; b) Modulieren des akustischen Oberflächenwellensignals in Abhängigkeit eines druckabhängigen Kennwerts eines elektronischen Bauteils (4) und c) Fernabfragen des modulierten akustischen Oberflächenwellensignals zur Druckerfassung.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Oberflächenwelle in Abhängigkeit der druckabhängigen Permittivität eines druckbeaufschlagbaren Dielektrikum (6) zumindest eines kapazitiven Elements (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die druckabhängige Permittivitätsänderung des Dielektrikums (6) eines Kondensators (4) zur Modulation des akustischen Oberflächenwellensignals verwendet wird.