DE10307360A1 - Strain sensor, especially for a piezoceramic bending transducer - Google Patents

Strain sensor, especially for a piezoceramic bending transducer Download PDF

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Abstract

Ein preisgünstiger und besonders präziser Dehnungssensor (2), insbesondere für einen piezokeramischen Biegewandler (1), umfasst eine erste Elektrode (6), eine von dieser beabstandete zweite Elektrode (7) und eine zwischen den Elektroden (6, 7) angeordnete isolierende Trennschicht (8), wobei mindestens eine Elektrode (6, 7) an ihrer der Trennschicht (8) zugewandten Fläche (9) eine reliefartige Volumenstruktur (10) aufweist.An inexpensive and particularly precise strain sensor (2), in particular for a piezoceramic bending transducer (1), comprises a first electrode (6), a second electrode (7) at a distance from it and an insulating separating layer (6) arranged between the electrodes (6, 7). 8), at least one electrode (6, 7) having a relief-like volume structure (10) on its surface (9) facing the separating layer (8).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dehnungssensor, insbesondere für einen piezokeramischen Biegewandler. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen piezokeramischen Biegewandler mit einem solchen Dehnungssensor.The invention relates to a Strain sensor, especially for a piezoceramic bending transducer. The invention relates continue to a piezoceramic bending transducer with one Strain sensor.

Als Dehnungssensor wird ein im Allgemeinen elektronisches Bauteil verstanden, an welchem eine Messgröße abgreifbar ist, die sich in charakteristischer Weise in Abhängigkeit der mechanischen Dehnung oder Kontraktion des Dehnungssensors verändert. Hierbei findet herkömmlicherweise z.B. ein so genannter Dehnmessstreifen Verwendung, bei welchem der dehnungsabhängige ohmsche Widerstand eines im Dehnmessstreifen enthaltenen elektrischen Leiters als Messgröße herangezogen wird. Weiterhin ist die Verwendung einer sogenannten Interdigitalstruktur als Dehnungssensor üblich. Unter dem Begriff Interdigitalstruktur wird eine zweidimensionale kapazitive Struktur mit einer dehnungsabhängigen Kapazität verstanden.A strain sensor is generally used understood electronic component on which a measurement variable can be tapped which is characteristic depending on the mechanical strain or contraction of the strain sensor changed. This takes place conventionally e.g. a so-called strain gauge use, in which the strain-dependent ohmic resistance of an electrical contained in the strain gauge Conductor used as a measurement becomes. Furthermore, the use of a so-called interdigital structure common as a strain sensor. The term interdigital structure is a two-dimensional one understood capacitive structure with a strain-dependent capacity.

Eine gebräuchliche Alternative eines Dehnungssensors ist ein so genannter Foliensensor, bei dem eine Kunststofffolie nach Art eines Plattenkondensators beidseitig mit je einer Elektrode beschichtet wird. Als Messgröße dient hierbei die von der Dehnung der Folie abhängige Kapazität des Foliensensors. Ein Foliensensor ist vergleichsweise günstig herzustellen. In nachteiliger Weise ist die Änderung der Kapazität bei einem herkömmlichen Foliensensor unter Dehnung nur vergleichsweise schwach, so dass eine präzise Dehnungsmessung nur mit einer empfindlichen, und im Allgemeinen deshalb vergleichsweise teueren, Messapparatur möglich ist.A common alternative to one Strain sensor is a so-called film sensor, in which one Plastic film in the manner of a plate capacitor with both sides one electrode is coated. The measurement parameter used here is that of Elongation of the film dependent capacity of the film sensor. A film sensor is comparatively cheap to manufacture. The change is disadvantageous capacity with a conventional one Foil sensor only relatively weak under stretch, so that a precise Strain measurement only with a sensitive, and in general therefore comparatively expensive measuring equipment is possible.

Ein derartiger Dehnungssensor wird insbesondere häufig bei einem piezokeramischen Biegewandler eingesetzt. Bei einem Biegewandler, wie er an sich beispielsweise aus der DE 100 17 760 C1 bekannt ist, wird der inverse oder rezi proke piezoelektrische Effekt genutzt, bei dem aufgrund einer linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und den elektrischen Zuständen eines Kristalls ein äußeres elektrisches Feld eine den Kristall deformierende mechanische Spannung erzeugt. Die gängigsten piezoelektrischen Materialien werden auf der Basis des ferroelektrischen Kristalls Bleizirkonattitanat Pb(ZrxTi(1-x))O3 hergestellt. Für die Herstellung einer piezoelektrisch aktiven Keramik wird das piezoelektrische Material in polykristalliner Form verarbeitet.Such a strain sensor is particularly often used in a piezoceramic bending transducer. In the case of a bending transducer, as it is known for example from the DE 100 17 760 C1 is known, the inverse or rezi proke piezoelectric effect is used, in which, due to a linear electromechanical interaction between the mechanical and the electrical states of a crystal, an external electric field generates a mechanical strain deforming the crystal. The most common piezoelectric materials are made on the basis of the ferroelectric crystal lead zirconate titanate Pb (Zr x Ti (1-x) ) O 3 . The piezoelectric material is processed in polycrystalline form to produce a piezoelectrically active ceramic.

Ein Biegewandler besteht aus mindestens zwei Schichten, von denen mindestens eine erste Schicht piezoelektrisch aktiv ist, d.h. sich bei Anliegen einer elektrischen Spannung mechanisch verformt. Ein Biegewandler umfasst darüber hinaus oft eine passive Schicht. Wird an die erste Schicht eines piezokeramischen Biegewandlers eine elektrische Spannung angelegt, so verkürzt oder verlängert sich diese Schicht, während die passive Schicht in ihrer Länge konstant bleibt. Umfasst der Biegewandler mehrere aktive Schichten, so werden diese auf unterschiedliche Weise angesteuert, so dass sich sich auch hier das Längenverhältnis der Schichten ändert. Auf diese Weise kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verbiegung oder Verkrümmung des Biegewandlers erzeugt werden, die für Antriebs- oder Betätigungszwecke herangezogen werden kann. Biegewandler finden heutzutage insbesondere Anwendung in den Bereichen der Elektrotechnik, des Maschinenbaus, der Akustik, der Automatisierungstechnik, der Nachrichtentechnik, der Informationstechnologie und des Automobilbaus sowie in vielfältigen weiteren Einsatzgebieten.A bending transducer consists of at least two Layers, of which at least a first layer is piezoelectric is active, i.e. mechanically when an electrical voltage is applied deformed. A bending transducer often also includes a passive one Layer. Is attached to the first layer of a piezoceramic bending transducer an electrical voltage is applied, this shortens or lengthens it Shift while the passive layer in length remains constant. If the bending transducer comprises several active layers, so they are controlled in different ways, so that the aspect ratio of the Layers changes. In this way, by applying an electrical voltage Bending or warping of the bending transducer are generated for drive or actuation purposes can be used. Bending transducers in particular find today Application in the fields of electrical engineering, mechanical engineering, acoustics, automation technology, communications engineering, information technology and automotive engineering, as well as in a wide variety of others Applications.

Insbesondere für Anwendungen, die eine hohe Präzision erfordern, ist es üblich, einen Biegewandler mit einem Dehnungssensor auszustatten. Der Dehnungssensor ist hierbei üblicherweise auf einer Außenfläche des Biegewandlers aufgebracht, so dass er bei einer Verbiegung des Biegewandlers je nach Biegerichtung gedehnt oder komprimiert wird. Es ist somit möglich, über die Dehnung oder Komprimierung des Dehnungssensors die Auslenkung des Biegewandlers zu ermitteln. Eine Auslenkungskontrolle ist zum Beispiel sinnvoll, um eine eventuelle thermische Verbiegung des Biegewandlers zu erkennen und gegebenenfalls zu kompensieren.Especially for applications that have a high precision require, it is common to equip a bending transducer with a strain sensor. The strain sensor is common here on an outer surface of the Bending transducer applied so that when the bending transducer bends is stretched or compressed depending on the direction of bending. So it is possible over the Strain or compression of the strain sensor the deflection of the bending transducer to investigate. A deflection control is useful, for example, to detect a possible thermal bending of the bending transducer and to compensate if necessary.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen preisgünstigen Dehnungssensor, insbesondere für einen piezokeramischen Biegewandler anzugeben, der eine besonders präzise Bestimmung der Dehnung oder Komprimierung des Biegewandlers erlaubt. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen preisgünstigen, mit einem solchen Dehnungssensor ausgestatteten Biegewandler anzugeben.The invention is based on the object an inexpensive Strain sensor, especially for to specify a piezoceramic bending transducer, which is a special one precise Determination of the elongation or compression of the bending transducer allowed. Another object of the invention is to provide an inexpensive, Specify bending transducer equipped with such a strain sensor.

Bezüglich des Dehnungssensors wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst der Dehnungssensor eine erste Elektrode und eine von dieser beabstandete zweite Elektrode sowie eine die Elektroden trennende und gegeneinander elektrisch isolierende Trennschicht. Dabei weist mindestens eine Elektrode an ihrer der Trennschicht zugewandten Fläche eine reliefartige Volumenstruktur auf.Regarding the strain sensor the task solved by the invention the features of claim 1. Thereafter, the strain sensor a first electrode and a second electrode spaced therefrom and a separating the electrodes and electrical against each other insulating separating layer. It has at least one electrode a relief-like volume structure on the surface facing the separating layer on.

Infolge der reliefartigen Volumenstruktur ist die Oberfläche, mit welcher die Elektrode an der Trennschicht anliegt, gegenüber einer planen Elektrode, vergrößert. Hierdurch wird eine im Vergleich zu einem plattenkondensatorartigen Dehnungssensor von ansonsten gleichen Abmessungen vergrößerte Kapazität erreicht. Bei einer Dehnung des Dehnungssensors ist dementsprechend auch die Kapazitätsänderung besonders groß, wodurch eine besonders präzise Messung der Dehnung möglich ist. Darüberhinaus tritt an Kanten oder Spitzen der Volumenstruktur bei Anlegen einer elektrischen Spannung ein besonders hohes elektrisches Feld auf. In diesen Feldüberhöhungsbereichen ändern sich die elektrostatischen Verhältnisse bei einer Dehnung oder Kontraktion des Dehnungssensors besonders stark. Kanten oder Spitzen der Volumenstruktur tragen somit zu einer entscheidenden Verstärkung der Kapazitätsänderung des Dehnungssensors bei dessen Dehnung oder Kontraktion bei. Unter Kanten oder Spitzen werden hierbei Bereiche der Elektrodenfläche mit besonders hoher Oberflächenkrümmung bezeichnet.As a result of the relief-like volume structure, the surface with which the electrode rests on the separating layer is enlarged compared to a flat electrode. This results in an increased capacitance compared to a plate capacitor-like strain sensor of otherwise identical dimensions. Accordingly, when the strain sensor is stretched, the change in capacitance is particularly large, as a result of which a particular precise measurement of the elongation is possible. In addition, a particularly high electrical field occurs at the edges or tips of the volume structure when an electrical voltage is applied. The electrostatic conditions change particularly strongly in these fields where the strain sensor is stretched or contracted. Edges or tips of the volume structure thus contribute to a decisive reinforcement of the change in capacitance of the strain sensor during its stretching or contraction. Areas of the electrode surface with a particularly high surface curvature are referred to here as edges or tips.

In einer bevorzugten Ausbildung weist die Volumenstruktur mindestens einen lamellenartig oder fingerartig ausgebildeten Vorsprung auf. Bevorzugt sind eine Vielzahl solcher Vorsprünge vorgesehen, so dass die Volumenstruktur ein noppen- oder fellartiges Aussehen erhält. In dieser Ausführung ist die Oberflächenvergrößerung im Vergleich zu einer gleich großen planen Fläche besonders stark ausgeprägt. Weiterhin wird im Bereich der Spitzen der Vorsprünge eine besonders vorteilhafte Feldüberhöhung des elektrischen Felds erzeugt.In a preferred embodiment points the volume structure at least one lamellar or finger-like trained lead. A large number of such are preferred projections provided so that the volume structure is a knob-like or fur-like Appearance. In this version is the surface enlargement in the Compared to an equal size plan area particularly pronounced. Furthermore, a particularly advantageous one is in the area of the tips of the projections Field elevation of the electric field generated.

Zur Verstärkung dieses Effekts weisen vorteilhafterweise beide Elektroden eine reliefartige, insbesondere mit lamellen- oder fingerartigen Vorsprüngen versehene Volumenstruktur auf. Hinsichtlich der gegenseitigen Anordnung dieser Volumenstrukturen existieren insbesondere zwei vorteilhafte Ausführungsformen. In einer ersten Ausführung ist die Volumenstruktur der beiden Elektroden derart aufeinander abgestimmt, dass zu einem oder jedem Vorsprung der ersten Elektrode ein korrespondierender Vorsprung der zweiten Elektrode vorgesehen ist, der dem ersten Vorsprung etwa fluchtend gegenübersteht. Die Spitzen dieser beiden Vorsprünge stehen hierbei mit sehr dichtem Abstand einander gegenüber, so dass sich die im Bereich beider Spitzen erzeugten Feldüberhöhungen einander überlagern und gegenseitig verstärken. In der zweiten Ausführung sind die Vorsprünge der gegenüberliegenden Elektroden versetzt zueinander angeordnet, so dass ein Vorsprung der ersten Elektrode jeweils zahnradartig zwischen benachbarte Vorsprünge der zweiten Elektrode eingreift, und umgekehrt. Hierdurch wird eine besonders hohe Kapazität erreicht. Die beiden beschriebenen Anordnungsformen der Vorsprünge können in beliebigen Mischformen miteinander kombiniert werden.Point to reinforce this effect advantageously both electrodes a relief-like, in particular Volume structure provided with lamellar or finger-like projections on. With regard to the mutual arrangement of these volume structures exist in particular two advantageous embodiments. In a first execution is the volume structure of the two electrodes on each other matched that to one or each protrusion of the first electrode a corresponding projection of the second electrode is provided which is approximately flush with the first projection. The tips of these two tabs are opposite each other with a very close distance, so that the field peaks generated in the area of both peaks overlap and reinforce each other. Are in the second version the ledges the opposite Electrodes offset from each other so that a projection the first electrode each gear-like between adjacent projections engages second electrode, and vice versa. This makes one special high capacity reached. The two described forms of arrangement of the projections can in any combination can be combined.

Um hinsichtlich der Kapazitätsverbesserung einen guten Effekt zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die Länge des oder jeden Vorsprungs mindestens einem Drittel der Dicke oder Stärke der Trennschicht entspricht. Als Dicke der Trennschicht wird hierbei deren maximale Ausdehnung entlang einer zur Fläche der Elektroden senkrechten Richtung bezeichnet. Weiterhin ist es sowohl im Hinblick auf die elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften des Dehnungssensors vorteilhaft, wenn der oder jeder Vorsprung in die Trennschicht eingebettet ist.In order to improve the capacity To achieve good effect, it is advantageous if the length of the or each protrusion at least a third of the thickness or strength of the Interface corresponds. The thickness of the separating layer is hereby maximum extension along a perpendicular to the surface of the electrodes Direction designated. Furthermore, it is both in terms of electrical as well as the mechanical properties of the strain sensor, when the or each protrusion is embedded in the separation layer.

Die Trennschicht ist zweckmäßigerweise als Kunststofffolie oder Polymerfolie ausgeführt. Dies erlaubt eine preisgünstige und einfache Herstellung des Dehnungssensors. Eine Polymerfolie ist außerdem im Hinblick auf ihre guten dielektrischen Eigenschaften und ihre gute Elastizität vorteilhaft. Ein besonders geeignetes Material für die Trennschicht ist insbesondere Polyimid.The separating layer is expedient designed as a plastic film or polymer film. This allows an inexpensive and easy manufacture of the strain sensor. It is a polymer film Moreover in terms of their good dielectric properties and their good elasticity advantageous. A particularly suitable material for the separating layer is in particular Polyimide.

Bezüglich des piezokeramischen Biegewandlers wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10. Danach umfasst der Biegewandler einen passiven Träger und einen darauf flächig aufgebrachten aktiven Keramikblock aus einem piezokeramischen Material, wobei die dem Träger abgewandte Fläche des Keramikblocks den erfindungsgemäßen Dehnungssensor trägt. Ein solcher Biegewandler ist vergleichsweise günstig herzustellen und erlaubt eine besonders präzise Auslenkungskontrolle.Regarding the piezoceramic Bending transducer, the object is achieved by the features of the claim 10. The bending transducer then comprises a passive support and one flat on it applied active ceramic block made of a piezoceramic material, being the the carrier facing surface of the ceramic block carries the strain sensor according to the invention. On such a bending transducer is comparatively inexpensive to manufacture and allows a particularly precise Auslenkungskontrolle.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:Exemplary embodiments of the Invention explained in more detail with reference to a drawing. In it show:

1 in einem schematischen Längsschnitt einen piezokeramischen Biegewandler mit einem Dehnungssensor, 1 in a schematic longitudinal section a piezoceramic bending transducer with a strain sensor,

2 in einer vergrößerten Detaildarstellung II gemäß 1 den Dehnungssensor, 2 in an enlarged detail II according to 1 the strain sensor,

3 in einer Darstellung gemäß 2 eine alternative Ausführung des Dehnungssensors und 3 in a representation according to 2 an alternative embodiment of the strain sensor and

4 in einer Darstellung gemäß 2 eine weitere Ausführungsform des Dehnungssensors. 4 in a representation according to 2 a further embodiment of the strain sensor.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numerals in all figures.

1 zeigt schematisch einen piezokeramischen Biegewandler 1, der mit einem Dehnungssensor 2 versehen ist. 1 shows schematically a piezoceramic bending transducer 1 with a strain sensor 2 is provided.

Der beispielhaft gezeigte Biegewandler 1 ist ein so genannter Mono- oder Unimorph, der einen piezoelektrisch passiven Träger 3 und einen darauf flächig aufgebrachten Keramikblock 4 aus einem piezoelektrisch aktivem Material umfasst. Im Sinne der Erfindung könnte der Biegewandler 1 jedoch auch in einer anderen gängigen Bauform ausgebildet sein, insbesondere als Bimorph bzw. als Multimorph oder als Trimorph. Bei einem Bimorph bzw. Multimorph sind zwei oder mehr piezokeramische Lagen ohne Zwischenlagen nebeneinander angeordnet. Bei einem Trimorph sind zwei piezokeramische Lagen mit einer dazwischen angeordneten passiven Zwischenschicht vorgesehen.The bending transducer shown as an example 1 is a so-called mono or unimorph, which is a piezoelectrically passive carrier 3 and a ceramic block applied flat to it 4 made of a piezoelectrically active material. In the sense of the invention, the bending transducer could 1 however, it can also be designed in another common design, in particular as a bimorph or as a multimorph or as a trimorph. In a bimorph or multimorph, two or more piezoceramic layers are arranged side by side without intermediate layers. In the case of a trimorph, two piezoceramic layers are provided with a passive intermediate layer arranged between them.

Der Keramikblock 4 ist bevorzugt in einer so genannten Multilayer- oder Vielschichttechnologie ausgebildet. Hierunter versteht man einen sandwichartig aus mehreren piezokeramischen Einzelschichten aufgebauten Keramikblock, wobei angrenzenden Lagen jeweils eine Elektrode zur Anlegung einer Biegespannung zwischengelagert ist. Die (nicht näher dargestellten) Einzelschichten des Keramikblocks 4 sind dabei zueinander derart orientiert, und die Elektroden sind derart gepolt, dass die Einzelschichten bei Anlegen einer Biegespannung an die Elektroden in gleicher Weise verformt werden. Die Multilayer-Technologie erlaubt - im Vergleich zu einem piezokeramischen Monoblock – die Erzeugung höherer elektrischer Felder bei gleicher Biegespannung, und damit eine stärkere Verformung des Biegewandlers 1.The ceramic block 4 is preferably designed in a so-called multilayer or multilayer technology. This is understood to mean a ceramic block made up of several piezoceramic individual layers in sandwich form, with adjacent layers each having an electrode for application a bending stress is temporarily stored. The individual layers (not shown) of the ceramic block 4 are oriented to one another in this way, and the electrodes are polarized in such a way that the individual layers are deformed in the same way when a bending voltage is applied to the electrodes. The multilayer technology allows - compared to a piezoceramic monoblock - the generation of higher electric fields with the same bending stress, and thus a greater deformation of the bending transducer 1 ,

Der Dehnungssensor 2 ist auf die vom Träger 3 abgewandte Fläche 5 des Keramikblocks 4 flächig aufgebracht. Wie aus der vergrößerten Detaildarstellung gemäß 2 zu erkennen ist, umfasst der Dehnungssensor 2 zwei flächige Elektroden 6 und 7, die parallel und mit Abstand zueinander ausgerichtet sind. Der zwischen den Elektroden 6 und 7 gebildete Zwischenraum ist mit einer Trennschicht 8 ausgefüllt, die aus einem isolierenden Polymermaterial, insbesondere Polyimid, besteht. Die Trennschicht 8 weist eine im Wesentlichen konstante Dicke D auf.The strain sensor 2 is on that of the carrier 3 facing surface 5 of the ceramic block 4 applied extensively. As from the enlarged detailed view 2 can be seen, includes the strain sensor 2 two flat electrodes 6 and 7 that are aligned parallel and at a distance from each other. The one between the electrodes 6 and 7 The space formed is with a separating layer 8th filled out, which consists of an insulating polymer material, in particular polyimide. The interface 8th has a substantially constant thickness D.

Der Dehnungssensor 2 ist also in vereinfachter Sichtweise einem Plattenkondensator nachgestaltet.The strain sensor 2 is therefore designed in a simplified view of a plate capacitor.

Im Gegensatz zu einen gewöhnlichen Plattenkondensator trägt die Elektrode 6 gemäß 2 an ihrer der Trennschicht 8 zugewandten Fläche 9 eine reliefartige Volumenstruktur 10. Die Volumenstruktur 10 umfasst eine Vielzahl von Vorsprüngen 11 (von denen nur zwei dargestellt sind), die von der Elektrode 6 ausgehend in die Trennschicht 8 hineinragen und in diese eingebettet, d.h. insbesondere lückenlos vom Material der Trennschicht 8 umgeben, sind. Der oder jeder Vorsprung 11 ist hierbei wahlweise nach Art einer Lamelle gestaltet und ist hierbei insbesondere in einer zur Zeichnungsebene senkrechten Richtung langgestreckt ausgebildet. Wahlweise ist der Vorsprung 11 auch nach Art eines Fingers, eines Stäbchens oder einer Noppe ausgebildet und erstreckt sich somit von der Elektrode 6 im Wesentlichen eindimensional etwa in Richtung der Elektrode 7. Jeder Vorsprung 11 erstreckt sich insbesondere über mehr als die halbe Dicke D der Trennschicht 8 in diese hinein und ist mit einer stark gekrümmten Spitze 12 versehen.In contrast to an ordinary plate capacitor, the electrode carries 6 according to 2 at their the interface 8th facing surface 9 a relief-like volume structure 10 , The volume structure 10 includes a variety of tabs 11 (only two of which are shown) by the electrode 6 starting in the interface 8th protrude and embedded in this, in particular without gaps from the material of the separating layer 8th are surrounded. The or every head start 11 is optionally designed in the manner of a lamella and is in this case particularly elongated in a direction perpendicular to the plane of the drawing. You have the advantage 11 also designed in the manner of a finger, a stick or a knob and thus extends from the electrode 6 essentially one-dimensional approximately in the direction of the electrode 7 , Every head start 11 extends in particular over more than half the thickness D of the separating layer 8th into this and is with a strongly curved tip 12 Mistake.

Der Dehnungssensor 2 bildet einen elektrischen Kondensator, der infolge der Volumenstruktur 10 gegenüber einem Plattenkondensator gleicher Abmessung eine erhöhte Kapazität aufweist. Des Weiteren bildet sich bei angelegter elektrischer Spannung an die Elektroden 6 und 7 im Bereich der Spitzen 12 ein elektrisches Feld aus, dessen Stärke gegenüber den spitzenfernen Bereichen der Trennschicht 8 überhöht ist. Die elektrische Feldstärke in diesem, um jede Spitze 12 herum angeordneten Feldüberhöhungsbereich 13, der in 2 schematisch durch eine gestrichelte Umrandung angedeutet ist, ist in hoch sensitiver Weise von den Umgebungsbedingungen abhängig und verändert sich bei einer Dehnung oder Kontraktion des Dehnungssensors 2 entsprechend stark.The strain sensor 2 forms an electrical capacitor due to the volume structure 10 has an increased capacitance compared to a plate capacitor of the same dimensions. Furthermore, when electrical voltage is applied to the electrodes 6 and 7 in the area of the tips 12 an electric field, the strength of which is opposite to the tip-distant areas of the interface 8th is inflated. The electric field strength in this to each tip 12 field camber area arranged around 13 who in 2 is indicated schematically by a dashed border, is highly sensitive to the environmental conditions and changes when the strain sensor stretches or contracts 2 correspondingly strong.

In 3 ist eine Variante des Dehnungssensors 2 dargestellt. Diese Ausführung zeichnet sich dadurch aus, dass beide Elektroden 6 und 7 mit einer reliefartigen Volumenstruktur 10 versehen ist, die jeweils eine Vielzahl von Vorsprüngen 11 aufweist. Hierbei ist zu jedem Vorsprung 11 der Elektrode 6 ein korrespondierender Vorsprung 11 der Elektrode 7 vorgesehen. Die beiden korrespondierenden Vorsprünge 11 stehen hierbei einander etwa fluchtend gegenüber, so dass ihre Spitzen 12 mit geringem Abstand einander gegenüberstehen. Jeder Vorsprung 11 erstreckt sich hierbei über mindestens ein Drittel der Dicke D der Trennschicht 8. In einer typischen, aber nicht als limitierend aufzufassenden Ausbildung weist die Trennschicht 8 eine Dicke D von 13 bis 20 Mikrometern auf. Die Länge der Vorsprünge 11, d.h. ihre Erstreckung in zur Fläche der Elektroden 6 und 7 senkrechten Richtung, beträgt hierbei etwa 5 bis 7 Mikrometer. Zwischen den beiden Spitzen 12 der korrespondierenden Vorsprünge 11 bildet sich wiederum ein Feldüberhöhungsbereich 13 aus, in dem sich die von beiden Spitzen 12 ausgehenden Feldbeiträge überlagern und gegenseitig verstärken.In 3 is a variant of the strain sensor 2 shown. This version is characterized by the fact that both electrodes 6 and 7 with a relief-like volume structure 10 is provided, each having a plurality of projections 11 having. Here is every head start 11 the electrode 6 a corresponding lead 11 the electrode 7 intended. The two corresponding protrusions 11 are roughly aligned with each other, so that their tips 12 face each other at a short distance. Every head start 11 extends over at least one third of the thickness D of the separating layer 8th , In a typical, but not to be taken as limiting, configuration, the separating layer has 8th a thickness D of 13 to 20 micrometers. The length of the protrusions 11 , ie their extension to the surface of the electrodes 6 and 7 vertical direction, is about 5 to 7 microns. Between the two peaks 12 the corresponding projections 11 in turn, a field exaggeration area is formed 13 from where the two tips 12 overlay outgoing field contributions and reinforce each other.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Dehnungssensors 2 gemäß 4 sind ebenfalls beide Elektroden 6 und 7 mit einer jeweils mehrere Vorsprünge 11 umfassenden Volumenstruktur 10 versehen. Die von der Elektrode 6 ausgehenden Vorsprünge 11 sind hierbei versetzt bezüglich den von der Elektrode 7 ausgehenden Vorsprüngen 11 angeordnet, so dass die Vorsprünge 11 der Elektrode 7 zwischen die Vorsprünge der Elektrode 6 zahnradartig eingreifen. Hierdurch wird eine besonders große effektive Kondensatorfläche erzielt.In a further embodiment of the strain sensor 2 according to 4 are also both electrodes 6 and 7 with several protrusions each 11 comprehensive volume structure 10 Mistake. The one from the electrode 6 outgoing tabs 11 are offset with respect to that of the electrode 7 outgoing tabs 11 arranged so that the protrusions 11 the electrode 7 between the protrusions of the electrode 6 engage like a gear. This results in a particularly large effective capacitor area.

11
Biegewandlerbending transducer
22
Dehnungssensorstrain sensor
33
Trägercarrier
44
Keramikblockceramic block
55
Flächearea
66
Elektrodeelectrode
77
Elektrodeelectrode
88th
TrennschichtInterface
99
Flächearea
1010
Volumenstrukturvolume structure
1111
Vorsprunghead Start
1212
Spitzetop
1313
FeldübertragungsbereichField frequency response
DD
Dickethickness

Claims (10)

Dehnungssensor (2) mit einer ersten Elektrode (6), mit einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode (7) und einer zwischen den Elektroden (6,7) angeordneten isolierenden Trennschicht (8), wobei mindestens eine Elektrode (6,7) an ihrer der Trennschicht (8) zugewandten Fläche (9) eine reliefartige Volumenstruktur (10) aufweist.Strain sensor ( 2 ) with a first electrode ( 6 ), with a second electrode spaced from it ( 7 ) and one between the electrodes ( 6 . 7 ) on orderly insulating separation layer ( 8th ), at least one electrode ( 6 . 7 ) at the separation layer ( 8th ) facing surface ( 9 ) a relief-like volume structure ( 10 ) having. Dehnungssensor (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstruktur (10) mindestens einen lamellenartig oder fingerartig ausgebildeten Vorsprung (11) aufweist.Strain sensor ( 2 ) according to claim 1, characterized in that the volume structure ( 10 ) at least one lamella-like or finger-like projection ( 11 ) having. Dehnungssensor (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (6,7) mit einer reliefartigen Volumenstruktur (10) versehen sind.Strain sensor ( 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that both electrodes ( 6 . 7 ) with a relief-like volume structure ( 10 ) are provided. Dehnungssensor (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstruktur (10) der Elektroden (6,7) derart aufeinander abgestimmt ist, dass zu mindestens einem Vorsprung (11) der ersten Elektrode (6) ein korrespondierender, diesem Vorsprung (11) etwa fluchtend gegenüberstehender Vorsprung (11) der zweiten Elektrode (7) vorgesehen ist.Strain sensor ( 2 ) according to claim 3, characterized in that the volume structure ( 10 ) the electrodes ( 6 . 7 ) is coordinated so that at least one projection ( 11 ) of the first electrode ( 6 ) a corresponding, this lead ( 11 ) roughly opposite projection ( 11 ) the second electrode ( 7 ) is provided. Dehnungssensor (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstruktur (10) der Elektroden (6,7) derart aufeinander abgestimmt ist, dass ein Vorsprung (11) der ersten Elektrode (6) zahnradartig zwischen benachbarte Vorsprünge (11) der zweiten Elektrode (7) eingreift.Strain sensor ( 2 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the volume structure ( 10 ) the electrodes ( 6 . 7 ) is coordinated so that a head start ( 11 ) of the first electrode ( 6 ) gear-like between adjacent projections ( 11 ) the second electrode ( 7 ) intervenes. Dehnungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Vorsprung (11) mindestens ein Drittel der Dicke (D) der Trennschicht (8) durchsetzt.Strain sensor ( 2 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the or each projection ( 11 ) at least one third of the thickness (D) of the separating layer ( 8th ) enforced. Dehnungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Vorsprung (11) in die Trennschicht (8) eingebettet ist.Strain sensor ( 2 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the or each projection ( 11 ) in the separation layer ( 8th ) is embedded. Dehnungswandler (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (8) eine Polymerfolie ist.Strain transducer ( 2 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the separating layer ( 8th ) is a polymer film. Dehnungswandler (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (8) aus Polyimid besteht.Strain transducer ( 2 ) according to claim 8, characterized in that the separating layer ( 8th ) consists of polyimide. Piezokeramischer Biegewandler (1) mit einem passiven Träger (3), einem darauf aufgebrachten aktiven Keramikblock (4), wobei die dem Träger (3) abgewandte Fläche (5) des Keramikblocks (4) einen Dehnungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 trägt.Piezo-ceramic bending transducer ( 1 ) with a passive carrier ( 3 ), an active ceramic block applied to it ( 4 ), where the wearer ( 3 ) facing surface ( 5 ) of the ceramic block ( 4 ) a strain sensor ( 2 ) according to one of claims 1 to 7.
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