WO2013076270A1 - Drucksensorelement - Google Patents

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WO2013076270A1
WO2013076270A1 PCT/EP2012/073519 EP2012073519W WO2013076270A1 WO 2013076270 A1 WO2013076270 A1 WO 2013076270A1 EP 2012073519 W EP2012073519 W EP 2012073519W WO 2013076270 A1 WO2013076270 A1 WO 2013076270A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor element
pressure
pressure sensor
element according
piezoelectric layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/073519
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Frey
Ingo KÜHNE
Meinrad Schienle
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0022—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a piezoelectric element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L17/00—Devices or apparatus for measuring tyre pressure or the pressure in other inflated bodies

Definitions

  • Pressure sensor element The invention relates to a pressure sensor element.
  • Fig. 1 shows an example from the automotive industry for pressure sensors.
  • a prototypical tire pressure monitoring system 4 This system is powered by a battery and measures temperature and pressure inside the tire.
  • a low-power pressure sensor is a prerequisite for achieving the longest possible service life.
  • the life of the system is determined by the charge capacity of the battery. If a battery change is not possible, the system will even fail completely.
  • the use of batteries should also be critically assessed from an environmental point of view.
  • a fundamental solution to this problem arises with the concept of an energy self-sufficient system. With the help of a suitable transducer, ambient energy used for the system functions. Since the amounts of energy available in this case are very small (typical powers: ⁇ to mW), the lowest possible power requirement of the sensor element is necessary or advantageous here as well.
  • the first solutions for an energy self-sufficient supply are based on the use of solar cells or thermal generators.
  • Power-mechanical generators for self-sufficient energy supply are based on an inductive, capacitive or piezoelectric transducer principle.
  • the pressure sensors used in energy self-sufficient systems are based on capacitive or piezoresistive principles. These sensors must be supplied with electrical energy to generate an analog electrical quantity.
  • the analog sensor signal is then converted to a digital representation via a suitable analog-to-digital converter circuit and then provided to an RF interface of the system for wireless transmission.
  • the pressure sensor element comprises a mechanical resonator, one or more detection means, which is or are designed to detect the decay behavior of a mechanical oscillation, in particular the decay behavior of the amplitude of the mechanical oscillation, of the mechanical resonator.
  • the pressure sensor element also includes a pressure determining device, which is designed to determine the pressure or a variable dependent on the pressure by using the decay behavior detected by the detection means (s). In this case, instead of the actual pressure, the pressure-determining device can alternatively determine a quantity dependent on the pressure as a measure of the pressure.
  • an excitation device is also provided, which is designed to excite the resonator to mechanical vibrations, in particular to pulse-like vibrations.
  • the basic idea of the invention is to pulse-excite a mechanical resonator, in particular a beam oscillator or a resonator having a beam oscillator, and to detect the decay behavior, in particular of the amplitude of the oscillation, as a function of the pressure prevailing at the location of the resonator.
  • the oscillation of the resonator itself is detected to detect the decay behavior.
  • the mechanical oscillation is particularly preferably converted into an electrical quantity.
  • the resonator has at least one piezoelectric element, in particular a piezoelectric layer, that is to say a functional layer.
  • the mechanical vibration amplitude of the resonator can be tapped as an electrical signal and preferably as an electrical voltage signal at the piezoelectric layer.
  • the piezoelectric layer is expediently implemented using thin-film technology (as described, for example, in Schreiter M., Bruchhaus R., Pitzer 0., Wersing W., "Sputtering of self-polarized PZT films for IR detector arrays", Proc. ISAF, 181-185 (1998) ).
  • FIG. 2 schematically shows a possibility for evaluating the decay behavior, that is, for Determination of the pressure using the decay behavior shown.
  • the voltage V of a piezoelectric layer of the resonator is detected as a function of the time t (curve c1 for the prevailing pressure p1 and curve c2 for the prevailing pressure p2> p1).
  • Vref a suitably selected reference voltage
  • the number AI or A2 of the oscillations of amplitude V> ref is determined.
  • the decay behavior of the mechanical oscillation of the resonator is thus pressure-dependent.
  • the number AI or A2 of those vibrations with an amplitude V A which is greater than the reference voltage V ref , a measure of the prevailing pressure pl or p2.
  • the overall result is a component-specific characteristic for the relationship between pressure pl, p2 and number AI, A2 of the vibrations.
  • This characteristic can be advantageously influenced by the design of the component and used to determine the pressure p1 or p2 in a metrological determination of the number AI or A2.
  • the mechanical resonator can in particular be designed such that, in addition to the pressure sensor function, a
  • Energy converter function mechanical into electrical energy
  • the energy gained can be used to operate the sensor or to operate the entire energy self-sufficient system.
  • the pressure sensor element according to the invention has one or more and in particular all of the following features: a mechanical resonator, in particular a beam oscillator, a first piezoelectric layer on the resonator, which is electrically contacted or can be contacted via two electrodes,
  • a second piezoelectric layer which is electrically contacted or contacted separately from the first piezoelectric layer via two electrodes.
  • the pressure sensor element according to the invention has a resonator in the form of a beam oscillator, which preferably has a triangular geometry in order to achieve a homogeneous mechanical stress distribution.
  • the pressure sensor element has a device, in particular an excitation device, for the defined mechanical excitation / deflection of the mechanical resonator and the possibility of allowing the resonator to oscillate freely from this initial position.
  • the pressure sensor element suitably comprises:
  • the task of this circuit is the detection of the decay behavior of the excited resonator.
  • this first electronic circuit comprises a detection means for detecting the decay behavior.
  • the first circuit consequently also forms a pressure-determining device. The influence of the pressure on the decay behavior can thus be used to determine the pressure.
  • the information is generated in digital representation.
  • the pressure sensor element ideally has:
  • a second electronic circuit connected to the electrodes of the second piezoelectric layer.
  • the task of this circuit is the efficient extraction the piezoelectric primary energy into a system energy storage or directly the power supply of system components.
  • this second circuit forms an energy storage device.
  • the mechanical resonator in particular the bending beam
  • the second circuit is first connected to the second circuit for a few cycles in order first to supply the system energy storage with energy.
  • a control unit which in the context of this description may also be described as a switching unit
  • the measurement of the pressure is switched back to energy.
  • the pressure sensor element according to the invention suitably has the following features:
  • a control unit which connects the piezoelectric layer in alternation with the first electronic circuit and the second electronic circuit.
  • a core idea of the invention lies in the manner of pressure measurement from the decay behavior of a pulse-like excited resonator, as well as, if appropriate, the connection of the sensor function with an energy for realizing an energy self-sufficient operation of the pressure sensor element or other connected components or systems.
  • the approach according to the invention has the following advantages: Low-energy and, in particular, self-powered sensor function:
  • the pressure sensor element according to the invention allows the sensory quantity "pressure" to be determined with low energy / power expenditure or energy self-sufficient.
  • the system complexity can be reduced and the module structure can be simplified.
  • the pressure sensor element according to the invention is particularly suitable for implementation as an integrated MEMS component.
  • Cost advantage By combining the advantages described above, a total cost advantage can be achieved. For example, in the case of an energy self-sufficient tire pressure monitoring system (TPMS) not only the battery can be replaced, but at the same time the function of the previously separately executed pressure sensor element can be provided.
  • TPMS energy self-sufficient tire pressure monitoring system
  • FIG. 3 schematically shows the geometry of a mechanical resonator in the form of a beam oscillator with a triangular cross section of a pressure sensor element according to the invention with a piezoelectric layer (without further structuring of the layer) in a schematic diagram in a perspective view
  • Fig. 4 shows another inventive pressure sensor element with a division of a piezoelectric
  • Fig. 5 example calculated pressure sensor transfer characteristics of the pressure sensor element according to the invention with a
  • piezoelectric layer thickness of 5 ⁇ and substrate thicknesses of 95 ⁇ (a) and 250 ⁇ (b).
  • the pressure sensor element according to the invention has a pulse-like excitable beam oscillator 10 in a first embodiment.
  • the bar oscillator 10 comprises a flat part 22.
  • This flat part 22 is formed with two (in the non-deflected state of the beam oscillator 10) flat and opposite flat sides.
  • the flat part 22 has a thickness t c of 170 ⁇ m perpendicular to the surface of the flat sides. In other non-specifically illustrated embodiments, the thickness of the sheet member 22 is between 95 microns and 250 microns, such as 95 microns or 250 microns.
  • the flat part 22 as well as the beam oscillator 10, as shown in Fig.
  • the flat portion 22 extends along the axis of symmetry of the triangle from the restraint 30 and can be efficiently deflected by a force in the direction of force F perpendicular to the surface of the flat sides of the beam vibrator 10 in the region of the right-angled apex of the triangle.
  • the decay behavior of the beam oscillator 10 is detected in the manner explained in the introduction with reference to FIG. 2.
  • the conversion of the mechanical oscillation takes place in an electrical variable, here in a voltage magnitude, by means of a arranged on a flat side of the flat portion 22 piezoelectric layer 20, in the illustrated embodiment of 5 microns thickness t p , which is realized on the flat part 22 in thin-film technology.
  • the flat part 22 together with the piezoelectric layer 20 forms the beam oscillator 10.
  • the flat part 22 forms a carrier layer for the piezoelectric layer 20.
  • the determination of the number of oscillations and the determination of the pressure takes place by means of a pressure detection unit not shown separately in FIGS. 2 and 3.
  • the tapping of the voltage V at the piezoelectric layer 20 takes place by means of two electrodes which adjoin each other in layers and flanks of the piezoelectric layer 20 (ie an electrode is located on an outer side of the beam oscillator 10, while an electrode between the piezoelectric layer 20 and the flat part 22 is not explicitly shown in Fig. 3).
  • the oscillation and decay behavior of the beam oscillator 10 can be detected as a time-dependent voltage V (compare curves c1, c2 in FIG.
  • a circuit (not explicitly shown in FIG. 3) ascertains, as explained at the outset with reference to FIG. 2, the number AI, A2 of oscillations and, depending on the number AI, A2 the pressure pl, p2.
  • the beam oscillator per se corresponds to the beam oscillator 10 shown in FIG. 3.
  • the pressure sensor element shown in FIG. 4 has a beam oscillator 10 'with a divided piezoelectric layer 20 ' on.
  • This piezoelectric layer 20 ' has along its planar extent a division on the flat side of the beam oscillator 10' in a region PI for pressure measurement and a region P2 for energy conversion from external mechanical energy into electrical energy for system operation.
  • the areas PI and P2 are electrically isolated from each other, in the illustrated embodiment, the areas PI and P2 are so spaced apart from each other so that between the areas PI and P2, a gap 32 is formed.
  • the first circuit 60 serves to detect the decay behavior of the excited beam oscillator 10 'and thus the pressure measurement.
  • the second circuit 70 is used for the efficient extraction of the piezoelectric primary energy to power an energy self-sufficient system 80 and in particular for energetic supply of the first circuit 70.
  • the pressure sensor element is thus formed in Fig. 4, that in addition to the pressure sensor function at the same time an energy converter function (mechanical into electrical energy ) is realized. The energy gained is used to operate the pressure sensor element and / or to operate an entire energy-efficient system.
  • the determined pressure p can be transmitted to further devices.
  • the piezoelectric layer is integrally formed as shown in Fig. 3, that is, does not include a plurality of electrically isolated regions. If the beam oscillator is first connected to the second circuit 70 for a few cycles, for example by means of a switch, in order first to supply energy to a system energy store. Thereafter, a control (for example, a control unit as mentioned above) switches the piezoelectric layer for pressure measurement to the first electronic circuit 60. After the measurement of the pressure pl, p2 is switched back to energy recovery.
  • a control for example, a control unit as mentioned above
  • the calculated pressure sensor transfer characteristics of pressure sensor elements according to the invention shown in FIG. 5 are shown by way of example for beam vibrators with a piezoelectric layer thickness of 5 ⁇ m and carrier layer thicknesses of 95 ⁇ m (a) and 250 ⁇ m (b).
  • the respective curves dl, d2, d3 and d4 (a) and el, e2, e3 and e4 (b) give the dependence of the number A of vibrations of the beam oscillator with a
  • V ref Voltage amplitude greater than a reference voltage V ref from the pressure p on.
  • the reference voltage V ref is referenced as a percentage of the open-circuit voltage V oc (see Inset).

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Abstract

Das Drucksensorelement umfasst einen mechanischen Resonator (10, 10'), ein oder mehrere Erfassungsmittel (35, 36), die zur Erfassung des Abklingverhaltens einer mechanischen Schwingung des mechanischen Resonators (10, 10') ausgebildet ist oder sind und eine Druckermittlungseinrichtung (60), die zur Ermittlung des Drucks (p) oder einer vom Druck abhängigen Größe (A1, A2 ) unter Heranziehung des von dem von dem oder den Erfassungsmittel/n (35, 36) erfassten Abklingverhaltens ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Drucksensorelement Die Erfindung betrifft ein Drucksensorelement.
Viele neue Anwendungen erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lokal verteilt, was dazu führt, dass eine elektrische Energieversorgung aufwendig und damit auch teuer ist (z.B. Verlegen von elektrischen Zuführungen) . Bei einigen Anwendungen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen Systeme gänzlich unmöglich, so dass diese völlig autark betrieben werden müssen. Dies bedeutet, dass sich diese Sensoren selbst mit Energie versorgen müssen, und die gewonnenen Messgrößen kabellos übertragen werden. Man spricht in diesem Zusammenhang von energieautarken Systemen. Eine wichtige sensorische Größe ist der Gasdruck, insbesondere der Luftdruck. Im Kontext energieautarker Systeme ist der Energiebedarf des Sensors eine besonders wichtige Kenngröße.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel aus der Automobilindustrie für Drucksensorik . Im Inneren der Lauffläche 2 befindet sich ein prototypisches Reifendruckkontrollsystem 4. Dieses System wird von einer Batterie versorgt und misst Temperatur und Druck im Reifeninneren. Ein leistungsarmer Drucksensor ist hier Voraussetzung zur Erzielung einer möglichst langen Betriebslebensdauer. Bei diesem wie auch anderen Systemen bzw. Systemkonzepten gibt es den entscheidenden Nachteil, dass diese Systeme nicht wartungsfrei sind. Die Lebensdauer des Systems wird von der Ladungskapazität der Batterie bestimmt. Ist ein Batteriewechsel nicht möglich, so fällt das System sogar ganz aus. Des Weiteren ist der Einsatz von Batterien auch aus Umweltsicht kritisch zu beurteilen. Eine grundsätzliche Lösung dieser Problematik ergibt sich mit dem Konzept eines energieautarken Systems. Mit Hilfe eines geeigneten Wandlers wird Umgebungs- energie für die Systemfunktionen nutzbar gemacht. Da die hierbei zur Verfügung stehenden Energiemengen sehr klein sind (typische Leistungen: μίί bis mW) , ist auch hier ein möglichst geringer Leistungsbedarf des Sensorelements notwendig, bzw. vorteilhaft.
Autonome Sensorik beruht bisher im Wesentlichen auf batteriegestützten Lösungen. Erste Lösungsansätze für eine energieautarke Versorgung basieren auf der Nutzung von Solarzellen oder Thermogeneratoren . Kraftmechanische Generatoren zur autarken Energieversorgung beruhen auf einem induktiven, kapazitiven oder piezoelektrischen Wandlerprinzip.
Die in energieautarken Systemen eingesetzten Drucksensoren beruhen auf kapazitiven oder piezoresistiven Prinzipien. Diese Sensoren müssen mit elektrischer Energie versorgt werden, um eine analoge elektrische Messgröße zu erzeugen. Das analoge Sensorsignal wird dann über eine geeignete Analog-Digital- Wandlerschaltung in eine digitale Repräsentierung überführt und dann an einer HF-Schnittstelle des Systems für eine drahtlose Übertragung bereitgestellt.
Es ist vor dem Hintergrund des zuvor erläuterten Standes der Technik die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes, vorzugs- weise ein leistungsarmes und insbesondere energieautarkes, Drucksensorelement zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit einem Drucksensorelement mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiter- bildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Drucksensorelement umfasst einen mechanischen Resonator, ein oder mehrere Erfassungsmittel, das oder die zur Erfassung des Abklingverhaltens einer mechanischen Schwingung, insbesondere des Abklingverhaltens der Amplitude der mechanischen Schwingung, des mechanischen Resonators ausgebildet ist oder sind. Das Drucksensorelement um- fasst zudem eine Druckermittlungseinrichtung, die zur Ermittlung des Drucks oder einer vom Druck abhängigen Größe unter Heranziehung des von dem oder den Erfassungsmittel/n erfass- ten Abklingverhaltens ausgebildet ist. Dabei kann die Dru- ckermittlungseinrichtung anstelle des eigentlichen Drucks alternativ eine vom Druck abhängige Größe als Maß für den Druck ermitteln .
Geeigneterweise ist auch eine Anregungseinrichtung vorhanden, die zur Anregung des Resonators zu mechanischen Schwingungen, insbesondere zu impulsartigen Schwingungen, ausgebildet ist. Zweckmäßig ist die Anregungseinrichtung zur pulsartigen Anregung mit Pulsen, die deutlich kürzer als die Periodendauer der mechanischen Schwingung des Resonators sind, ausgebildet.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, einen mechanischen Resonator, insbesondere einen Balkenschwinger oder einen einen Balkenschwinger aufweisenden Resonator, impulsartig anzuregen und das Abklingverhalten insbesondere der Amplitude der Schwingung in Abhängigkeit des am Ort des Resonators vorherrschenden Drucks zu erfassen. Zweckmäßig wird zur Erfassung des Abklingverhaltens die Schwingung des Resonators selbst erfasst. Besonders bevorzugt wird dabei die mechanische Schwingung in eine elektrische Größe gewandelt. Dazu weist in vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung der Resonator zumindest ein piezoelektrisches Element, insbesondere eine piezoelektrische Schicht, also eine Funktionsschicht, auf. Somit kann die mechanische Schwingungsamplitude des Resonators, etwa über Elektroden, als elektrisches Signal und vorzugsweise als elektrisches Spannungssignal an der piezoelektrischen Schicht abgegriffen werden. Zweckmäßig ist die piezoelektrische Schicht in Dünnfilmtechnologie realisiert (wie beispielsweise in Schreiter M. , Bruchhaus R. , Pitzer 0., Wersing W., "Sputtering of selfpolarized PZT films for IR- detector arrays", Proc . ISAF, 181-185 (1998) erläutert). Basierend auf dieser Anordnung (aber nicht notwendigerweise beschränkt auf diese Anordnung) ist in Fig. 2 schematisch eine Möglichkeit zur Evaluierung des Abklingverhaltens, also zur Ermittlung des Drucks unter Heranziehung des Abklingverhaltens, dargestellt. Es wird die Spannung V einer piezoelektrischen Schicht des Resonators abhängig von der Zeit t erfasst (Kurve cl für herrschenden Druck pl sowie Kurve c2 für herr- sehenden Druck p2 > pl) . Mit Bezug auf eine geeignet gewählte Referenzspannung Vref wird für einen gegebenen Druck pl oder p2 die Anzahl AI oder A2 der Schwingungen mit Amplitude V > ref bestimmt. Im Beispiel beträgt diese Kenngröße AI = 6 für Druck pl und A2 = 2 für Druck p2. Das Abklingverhalten der mechanischen Schwingung des Resonators ist also druckabhängig. Somit bildet die Anzahl AI oder A2 derjenigen Schwingungen mit einer Amplitude VA, welche größer als die Referenzsspannung Vref ist, ein Maß für den jeweils herrschenden Druck pl oder p2.
Aus dem in Fig. 2 gezeigten Prinzip ergibt sich insgesamt eine bauelementespezifische Charakteristik für den Zusammenhang zwischen Druck pl, p2 und Anzahl AI, A2 der Schwingungen. Diese Charakteristik kann durch den Bauelementeentwurf vor- teilhaft beeinflusst werden und bei einer messtechnischen Bestimmung der Anzahl AI oder A2 zur Ermittlung des Drucks pl oder p2 verwendet werden .
Der mechanische Resonator kann insbesondere so ausgelegt wer- den, dass neben der Drucksensorfunktion gleichzeitig eine
Energiewandlerfunktion (mechanische in elektrische Energie) realisiert wird. Die gewonnene Energie kann zum Betrieb des Sensors oder auch zum Betrieb des gesamten energieautarken Systems genutzt werden.
Besonders zweckmäßig weist das erfindungsgemäße Drucksensorelement ein oder mehrere und insbesondere sämtliche der folgenden Merkmale auf: - einen mechanischen Resonator, insbesondere einen Balkenschwinger , eine erste piezoelektrische Schicht an dem Resonator, die über zwei Elektroden elektrisch kontaktiert oder kontak- tierbar ist,
eine zweite piezoelektrische Schicht, die separat von der ersten piezoelektrischen Schicht über zwei Elektroden elektrisch kontaktiert oder kontaktierbar ist.
Vorteilhaft weist das erfindungsgemäße Drucksensorelement einen Resonator in Form eines Balkenschwingers auf, welcher bevorzugt eine dreiecksförmige Geometrie aufweist um eine homogene mechanische Stressverteilung zu erzielen.
Zweckmäßig weist das Drucksensorelement eine Vorrichtung auf, insbesondere eine Anregungseinrichtung, zur definierten me- chanischen Anregung/Auslenkung des mechanischen Resonators und der Möglichkeit, den Resonator aus dieser initialen Position frei schwingen zu lassen.
Ferner weist das Drucksensorelement geeigneterweise auf:
Eine erste elektronische Schaltung, die mit den Elektroden der ersten piezoelektrischer Funktionsschicht verbunden ist. Aufgabe dieser Schaltung ist die Erfassung des Abklingverhaltens des angeregten Resonators. Geeigneter- weise umfasst diese erste elektronische Schaltung ein Erfassungsmittel zur Erfassung des Abklingverhaltens. Ferner ist es Aufgabe der ersten Schaltung, aus dem erfass- ten Abklingverhalten den Druck zu ermitteln. Die erste Schaltung bildet folglich zudem eine Druckermittlungsein- richtung. Der Einfluss des Drucks auf das Abklingverhalten kann somit zur Bestimmung des Drucks verwendet werden. Vorzugsweise wird die Information in digitaler Rep- räsentierung erzeugt. Zusätzlich weist das Drucksensorelement idealerweise auf:
Eine zweite elektronische Schaltung, die mit den Elektroden der zweiten piezoelektrischer Schicht verbunden ist. Aufgabe dieser Schaltung ist die effiziente Extraktion der piezoelektrischen Primärenergie in einen Systemenergiespeicher oder direkt der Energieversorgung von Systemkomponenten. Geeigneterweise bildet diese zweite Schaltung eine Energiespeichereinrichtung.
Alternativ zu dieser räumlichen Trennung von Energiegewinnung und Druckmessung ist auch ein Zeit-Multiplex möglich. In diesem Fall wird der mechanische Resonator, insbesondere der Biegebalken, zunächst für einige Zyklen mit der zweiten Schaltung verbunden, um zunächst den Systemenergiespeicher mit Energie zu versorgen. Danach schaltet eine Steuereinheit (die im Rahmen dieser Beschreibung auch als Schalteinheit beschrieben sein kann) die piezoelektrische Schicht zur Druckmessung auf die erste elektronische Schaltung um. Nach der Messung des Druckes wird wieder auf Energiegewinnung zurückgeschaltet. In dieser Anordnung weist das erfindungsgemäße Drucksensorelement geeigneterweise folgende Merkmale auf:
1. mechanischer Resonator mit einer piezoelektrischen
Schicht,
2. vorzugsweise einen elektrischen Schalter,
3. eine erste elektrische Schaltung zur Messung des Druckes,
4. eine zweite elektronische Schaltung zur Extraktion der Energie, und
5. eine Steuereinheit, die die piezoelektrische Schicht im Wechsel mit der ersten elektronischen Schaltung und der zweiten elektronischen Schaltung verbindet.
Eine Kernidee der Erfindung liegt in der Art und Weise der Druckmessung aus dem Abklingverhalten eines pulsartig angeregten Resonators, sowie, gegebenenfalls, der Verknüpfung der Sensorfunktion mit einer Energiegewinnung zur Realisierung eines energieautarken Betriebes des Drucksensorelements oder weiterer angebundener Bauteile oder Systeme.
Der erfindungsgemäße Ansatz weist folgende Vorteile auf: Leistungsarme und insbesondere energieautarke Sensorfunktion: Das erfindungsgemäße Drucksensorelement erlaubt es die sensorische Größe „Druck" mit geringem Energie/Leistungsaufwand bzw. energieautark zu bestimmen. Integration der Sensor- und Energiewandlerfunktion : Das erfindungsgemäße Drucksensorelement kann neben der Drucksensorfunktion auch zur Bereitstellung von Systemenergie genutzt werden. Damit kann gegebenenfalls die Systemkomplexität reduziert und der Modulaufbau vereinfacht werden .
Möglichkeit der Miniaturisierung: Das erfindungsgemäße Drucksensorelement eignet sich insbesondere zur Realisierung als integriertes MEMS-Bauteil .
Kostenvorteil : Durch die Kombination der oben beschriebenen Vorteile kann insgesamt ein Kostenvorteil erzielt werden. Zum Beispiel kann im Falle eines energieautarken Reifendruck-Kontrollsystems (RDKS) nicht nur die Batterie ersetzt werden, sondern gleichzeitig die Funktion des bisher separat ausgeführten Drucksensorelements mit bereitgestellt werden.
Ferner ist auch ein Verfahren zur Druckmessung nutzend ein Drucksensorelement wie zuvor beschrieben und in der zuvor be schriebenen Weise Gegenstand der Erfindung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen : Fig. 3 schematisch die Geometrie eines mechanischen Resonators in Gestalt eines Balkenschwingers mit dreieckigem Querschnitt eines erfindungsgemäßen Drucksensorelements mit einer piezoelektrischen Schicht (ohne weitere Strukturierung der Schicht) in einer Prinzipskizze in einer perspektivischen
Darstellung (a) sowie in einer Draufsicht (b) und in einer Seitenansicht (c) , Fig. 4 ein weiteres erfindungsgemäßes Drucksensorelement mit einer Aufteilung einer piezoelektrischen
Schicht des Resonators in ein Gebiet PI zur Druckmessung und ein Gebiet P2 zur Energiewandlung aus externer mechanischer Energie in elektrische Energie zum Systembetrieb schematisch in einer Draufsicht (a) und in einer Seitenansicht (b) sowie
Fig. 5 beispielhaft berechnete Drucksensor- Transferkennlinien des erfindungsgemäßen Drucksensorelements mit einer
piezoelektrischen Schichtdicke von 5 μπι sowie Trägerschichtdicken von 95 μπι (a) und 250 μπι (b) .
Das erfindungsgemäße Drucksensorelement weist in einer ersten Ausführungsform einen impulsartig anregbaren Balkenschwinger 10 auf. Der Balkenschwinger 10 umfasst ein Flachteil 22. Dieses Flachteil 22 ist mit zwei (im nicht ausgelenkten Zustand des Balkenschwingers 10) ebenen und einander abgewandten Flachseiten ausgebildet. Das Flachteil 22 weist senkrecht zur Oberfläche der Flachseiten eine Dicke tc von 170 um auf. In weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen beträgt die Dicke des Flachteils 22 zwischen 95 Mikrometern und 250 Mikrometern, beispielsweise 95 Mikrometer oder 250 Mikrometer. Das Flachteil 22 sowie auch der Balkenschwinger 10 weisen wie in Fig. 3 gezeigt parallel zur Oberfläche der Flachseiten eine Längsschnittskontur mit dem Flächeninhalt Ag in der Gestalt eines gleichschenklig-rechtwinkligen Dreiecks mit der Höhe a entlang der Symmetrieachse auf. An seiner längsten Schmalseite ist das Flachteil 22 in an sich bekannter Weise in einer Einspannung 30 eingespannt.
Somit streckt sich das Flachteil 22 entlang der Symmetrieachse des Dreiecks von der Einspannung 30 fort und kann mittels einer Kraft in Kraftrichtung F senkrecht zur Oberfläche der Flachseiten des Balkenschwingers 10 im Bereich der rechtwinkligen Spitze des Dreiecks effizient ausgelenkt werden. Das Abklingverhalten des Balkenschwingers 10 wird in der eingangs anhand von Fig. 2 erläuterten Weise erfasst. Dabei erfolgt die Wandlung der mechanischen Schwingung in eine elektrische Größe, hier in eine Spannungsgröße, mittels einer an einer Flachseite des Flachteils 22 angeordneten piezoelektrischen Schicht 20, im dargestellten Ausführungsbeispiel von 5 Mikrometern Dicke tp, die an dem Flachteil 22 in Dünnfilmtechnologie realisiert ist. Das Flachteil 22 bildet gemeinsam mit der piezoelektrischen Schicht 20 den Balkenschwinger 10. Das Flachteil 22 bildet eine Trägerschicht für die piezoelektrische Schicht 20.
Mit Bezug auf eine geeignet gewählte Referenzspannung Vref wird die Anzahl AI, A2 derjenigen Schwingungen mit einer Amp- litude VA, die größer als eine Referenzfrequenz ref ist, be¬ stimmt, wie anhand von Fig. 2 in der vorhergehenden Beschreibung erläutert. Wie im in Fig. 2 gezeigten Beispiel sinkt diese Anzahl vom Wert AI = 6 (für einen Druck pl) auf den Wert A2 = 2 (für einen Druck p2 , welcher größer als der Druck pl ist) . Die Bestimmung der Anzahl der Schwingungen und die Ermittlung des Drucks erfolgt mittels einer in Fig. 2 und 3 nicht gesondert dargestellten Druckermittlungseinheit.
Der Abgriff der Spannung V an der piezoelektrischen Schicht 20 erfolgt mittels zweier jeweils schichtartig und flachsei- tig der piezoelektrischen Schicht 20 an diese angrenzender Elektroden (d.h. eine Elektrode ist an einer Außenseite des Balkenschwingers 10 gelegen, während eine Elektrode zwischen piezoelektrischer Schicht 20 und Flachteil 22 befindlich ist; in Fig. 3 nicht explizit gezeigt) . Mittels der Elektroden lässt sich das Schwingungs- und Abklingverhalten des Balkenschwingers 10 als zeitabhängige Spannung V erfassen (vgl. Kurven cl, c2 in Fig. 2) . Eine Schaltung (in Fig. 3 nicht explizit gezeigt) ermittelt, wie eingangs anhand Fig. 2 erläu- tert, die Anzahl AI, A2 von Schwingungen und abhängig von der Anzahl AI, A2 den Druck pl, p2. In einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. 4) entspricht der Balkenschwinger an sich dem in Fig. 3 gezeigten Balkenschwinger 10. Abweichend von dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das in Fig. 4 gezeigte Drucksensorelement einen Balkenschwinger 10' mit einer geteilten piezoelektrischen Schicht 20' auf. Diese piezoelektrische Schicht 20' weist entlang ihrer flächigen Erstreckung eine Aufteilung an der Flachseite des Balkenschwingers 10' in ein Gebiet PI zur Druckmessung und ein Gebiet P2 zur Energiewandlung aus externer mechanischer Energie in elektrische Energie zum Systembetrieb auf. Die Gebiete PI und P2 sind gegeneinander elektrisch isoliert, im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Gebiete PI und P2 dazu derart voneinander beabstandet, sodass zwischen den Gebieten PI und P2 eine Lücke 32 ausgebildet ist.
Die erste Schaltung 60 dient der Erfassung des Abklingverhaltens des angeregten Balkenschwingers 10' und damit der Druck- messung. Die zweite Schaltung 70 dient der effizienten Extraktion der piezoelektrischen Primärenergie zur Versorgung eines energieautarken Systems 80 und insbesondere zur energetischen Speisung der ersten Schaltung 70. Das Drucksensorelement ist in Fig. 4 folglich so ausgebildet, dass neben der Drucksensorfunktion gleichzeitig eine Energiewandlerfunktion (mechanische in elektrische Energie) realisiert wird. Die gewonnene Energie wird zum Betrieb des Drucksensorelements und/oder zum Betrieb eines gesamten energieau- tarken Systems genutzt.
Mittels eines drahtlosen Kommunikationspfades K, beispielsweise einer Hochfrequenzschnittstelle, ist der ermittelte Druck p an weitere Einrichtungen übertragbar.
Der Abgriff der Spannungen V an den jeweiligen Gebieten PI und P2 der piezoelektrischen Schicht 20' erfolgt dabei jeweils mittels zweier jeweils schichtartig und flachseitig der piezoelektrischen Schicht 20' an diese angrenzender Elektroden 35, 36.
Alternativ zur dargestellten räumlichen Trennung von Energie- gewinnung und Druckmessung ist in weiteren, nicht eigens gezeigten Ausführungsbeispielen ein Zeit-Multiplex realisiert. In diesem Fall ist die piezoelektrische Schicht wie in Fig. 3 gezeigt einteilig ausgebildet, umfasst also nicht mehrere voneinander elektrisch isolierte Gebiete. Wird der Balken- schwinger zunächst für einige Zyklen, etwa mittels eines Schalters, mit der zweiten Schaltung 70 verbunden, um zunächst einen Systemenergiespeicher mit Energie zu versorgen. Danach schaltet ein Steuerelement (beispielsweise eine Steuereinheit wie eingangs erwähnt) die piezoelektrische Schicht zur Druckmessung auf die erste elektronische Schaltung 60 um. Nach der Messung des Druckes pl, p2 wird wieder auf Energiegewinnung zurückgeschaltet.
Die in Fig. 5 dargestellten berechneten Drucksensor- Transferkennlinien erfindungsgemäßer Drucksensorelemente sind beispielhaft für Balkenschwinger mit einer piezoelektrischen Schichtdicke von 5 μπι und Trägerschichtdicken von 95 μπι (a) und 250 μπι (b) gezeigt. Die jeweiligen Kurven dl, d2 , d3 und d4 (a) sowie el, e2 , e3 und e4 (b) geben die Abhängigkeit der Anzahl A von Schwingungen des Balkenschwingers mit einer
Spannungsamplitude größer als eine Referenzspannung Vref vom Druck p an. Die Referenzspannung Vref ist jeweils prozentual auf die Open-Circuit-Voltage Voc bezogen (s. Inset) .

Claims

Patentansprüche
1. Drucksensorelement, umfassend einen mechanischen Resonator (10, 10'), ein oder mehrere Erfassungsmittel (35, 36), das oder die zur Erfassung des Abklingverhaltens einer mechanischen Schwingung des mechanischen Resonators (10) ausgebildet ist oder sind und eine Druckermittlungseinrichtung 60, die zur Ermittlung des Drucks (pl, p2 ) oder einer vom Druck abhängigen Größe (AI, A2 ) unter Heranziehung des von dem oder von den Erfassungsmittel/n (35, 36) erfassten Abklingverhaltens ausgebildet ist.
2. Drucksensorelement nach Anspruch 1, bei welchem der mechanische Resonator (10, 10') einen Balkenschwinger aufweist.
3. Drucksensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der mechanische Resonator (10, 10') zumindest eine piezoelektrische Schicht (20, 20', PI, P2 ) aufweist oder mit oder aus einer piezoelektrischen Schicht gebildet ist.
4. Drucksensorelement nach Anspruch 3, bei welchem sich die oder zumindest eine der piezoelektrischen Schichten (20, 20', PI, P2 ) entlang einer Flachseite des Resonators (10, 10'), insbesondere des Balkenschwingers, erstreckt.
5. Drucksensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der mechanische Resonator (10, 10'), insbesondere in einer Ebene parallel zu einer Flachseite des Reso- nators (10, 10'), einen dreieckigen Querschnitt aufweist.
6. Drucksensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das oder die Erfassungsmittel (35, 36) zumindest ein Paar von Elektroden aufweist/aufweisen, welches oder welche an der oder jeweils einer der piezoelektrischen Schicht/en (20, 20', PI, P2 ) kontaktiert sind.
7. Drucksensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, bei welchem das zumindest eine Paar von Elektroden mit der Druckermittlungseinrichtung (60) leitend verbunden ist.
8. Drucksensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Druckermittlungseinrichtung (60) zumindest ein
Mittel zur Erfassung elektrischer Größen, insbesondere der an den Elektroden (20, 20', PI, P2 ) anliegenden Spannung, aufweist, welches mit dem zumindest einen Paar von Elektroden (35, 36) verbunden ist.
9. Drucksensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der mechanische Resonator (10, 10') eine Trägerschicht (22) mit einer Trägerschichtdicke tc von zumindest 50 um und höchstens 150 um aufweist.
10. Drucksensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die piezoelektrische Schicht eine Schichtdicke tp von zumindest 95 μπι, insbesondere zumindest 150 um und höchstens 500 ]i , insbesondere höchstens 250 ]i , aufweist.
11. Drucksensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Energiespeichereinrichtung (70) aufweist, welche zur Speicherung elektrischer Energie ausgebildet ist.
12. Drucksensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Energiespeichereinrichtung (70) an zumindest ein Paar von Elektroden (35, 36) kontaktiert oder kontaktierbar ist, welche welches an zumindest einer oder den piezoelektrischen Schichten (20, 20', PI, P2 ) kontaktiert oder kontaktierbar ist.
13. Drucksensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Energiespeichereinrichtung (70) und die Druckermittlungseinrichtung (60) gemeinsam an eine piezo- elektrische Schicht (20, 20', PI, P2 ) angebunden sind.
14. Drucksensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, welches eine Schalteinheit (60, 70) mit einem ersten und einem zweiten Schaltzustand aufweist, wobei im ersten Schaltzustand der eine leitende Verbindung der Druckermittlungseinrichtung (60) mit der piezoelektrischen Schicht (20') hergestellt und/oder eine leitende Verbindung der Energiespeichereinrich- tung (70) mit der piezoelektrischen Schicht (20') unterbrochen ist und bei welchem im zweiten Schaltzustand eine leitende Verbindung der Energiespeichereinrichtung (70) mit der piezoelektrischen Schicht (20') hergestellt und/oder eine leitende Verbindung der Druckermittlungseinrichtung (60) mit der piezoelektrischen Schicht '( 20 ' ) unterbrochen ist.
15. Drucksensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Anregungseinrichtung aufweist, welche zur Anregung des mechanischen Resonators (10, 10') zu mechanischen Schwingungen ausgebildet ist.
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