用于测量动态和静态压力和/或温度的压电式测量元件制造技术

一种用于测量动态压力并附加地用于测量温度和/或静态压力的测量元件(2)，其包括由压电材料制成的主体(20)，其中，主体(20)具有沿横向方向(Ta)彼此相对置地设置的侧表面(21，22)，在这些侧表面上分别设置侧表面电极(210，220)，测量元件在仅使用很少构件的情况下被简单、低成本地构建。这通过如下方式实现：即，将主体(20，20′)的压电材料选择为：使压电e张量的推力系数不等于零，由此能够充分利用逆压电效应；并且压电d张量的横向系数不等于零和/或压电d张量的纵向系数不等于零，由此能够同时伴随逆压电效应一起充分利用沿横向方向(Ta)的横向压电效应和/或沿纵向方向(L)的纵向压电效应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于测量动态压力并附加地用于测量温度和/或静态压力的测量元件，该测量元件包括由压电材料制成的主体，其中，该主体具有沿横向方向相对置设置的侧表面，在这些侧表面上分别设置有侧表面电极，在此，为了充分利用压电效应，测量元件可以沿纵向方向被预紧地设置在测量元件保持件中并能够承受力；本专利技术还涉及一种具有测量元件的传感器结构以及一种利用测量元件测量静态压力和动态压力和/或温度的方法，该测量元件包括压电主体，所述压电主体沿纵向方向被夹紧地安置到测量元件收纳部中，其中，所述压电主体具有沿横向方向彼此间隔开的侧表面，这些侧表面具有设置于其上的侧表面电极。
技术介绍
包括压电体或者说压电主体的测量元件由于它们的特殊特性而被使用在具有测量元件的传感器结构系列中。在专利文献WO2012164016中公开了一种传感器结构，其由多个测量元件组成，这些测量元件包括由压电材料制成的多个主体。这些测量元件可以用于测量压力和/或力。这种传感器结构具有紧凑的结构，其中，在充分利用压电效应的情况下，由压电材料制成的测量元件彼此间隔开地为了动态的力测量或压力测量而以预紧的方式直立地设置在壳体中。力通过膜片被导引到测量元件的端表面上。根据测量元件被压紧的情况，记录下用于确定力或压力的测量信号。为了接收静态的力测量值或压力测量值，设置至少一个另外的测量元件，该测量元件充分利用逆压电效应并作为厚度方向剪切振动器(Dickenscherschwinger)来运行。该厚度方向剪切振动器作为压电谐振器运行，并通过测量元件侧表面上所安装的电极，利用电子激励信号被激励到相应的振动。根据力加载或者说压力加载的不同，厚度方向剪切振动器的共振频率将发生改变，这可被充分利用以确定静态的力或者说压力。为了提供这种传感器结构需要很多的部件，这些部件必须在壳体中被精确地定向和固定，以及必须小心翼翼地进行电缆连接，以便不同的材料不会受到其他测量元件被激励的高频振动或所使用的电子装置的激励电压干扰。这些测量元件根据结构条件被局部地间隔开，这虽然使得测量元件在壳体中的放置和接触变得更加容易，但是也会导致要在局部不同的点上进行力测量和/或压力测量，由此导致测量不准确。为了尽可能地在一个点附近可重现地进行力测量或压力测量并提高测量准确性，在专利文献AT503558中采用了另一种途径。一测量元件包括由压电材料制成的主体，该主体设有一附加的第二测量元件，该第二测量元件由具有所谓的SAW结构(Surface Acoustic Wave，表面声波)的压电测量板制成。在充分利用压电效应的情况下，测量元件就像已知的那样提供了发生作用的动态压力。由于直接触碰测量元件的SAW结构被设置在由压电材料制成的主体上，因此其提供了另一种紧凑的传感器结构。测量元件具有表面电极，必须在表面电极和SAW结构可以分析和激励电子装置连接之前将这些表面电极协调一致地同样固定在测量元件上。通过分析和激励电子装置，可以沿着SAW结构在测量运行中产生声波形式的表面波纹，这些表面波纹的持续时间根据作用到测量元件或SAW结构上的力作用的不同而改变。绝对压力可以借助于SAW结构根据持续时间的变化来确定。尽管将SAW结构固定在测量元件上会导致一种多件式的传感器结构，其允许在几乎相同的地点上进行压力测量或力测量，但是在测量元件和在SAW结构中会产生不均匀的力分布。在将SAW结构固定在测量元件上以及将表面电极设置在测量元件上时必须确保：无论是两个彼此无关的压电元件相互之间，还是从这两个压电元件发出的测量信号之间均不会相互干扰。为了实现根据AT503558的这种传感器结构，测量元件与具有SAW结构的压电测量板必须在一适当的制造步骤中精确地连接，这会导致较高的花费并因此增加成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种测量元件或者说传感器结构，其能够在仅使用很少部件的情况下简单地、低成本地构建，在此，其能够比根据现有技术的测量元件更准确地执行动态和静态的力测量和/或压力测量和/或温度测量。本专利技术的目的通过如下的方式来实现：该传感器结构仅具有一个测量元件，该测量元件包括由适当的压电材料制成的主体，该主体能够以两种测量模式同时运行。由于该测量元件被一体化地制成为仅包括一压电主体，因此空间需要和电接触被明显地简化，并且两种测量模式的力测量或压力测量或温度测量均在一个地点进行。附图说明下面结合附图对本专利技术做示例性的说明。图1a示出了具有测量元件的传感器结构的截面图，该测量元件包括压电主体，该压电主体的压电效应和逆压电效应能够同时被充分用于测量值检测，而图1b示出了根据图1a的适用于此的测量元件的立体图。图2示意性示出了作为厚度方向剪切振动器运行时的压电主体的截面图，其中，主体中的剪切是简示的。图3a示出了具有测量元件的传感器结构的截面图，该测量元件包括压电主体，该压电主体的压电效应和它的逆压电效应能够在作为厚度方向剪切振动器的运行中同时被充分用于测量值检测，而图3b和图3c以立体图示出了用于在根据图3a的传感器结构中运行的测量元件的可能构型，其中，在图3c中还简示了分析和激励电子装置。图4a示意性示出了具有主轴的单晶体的立体图，其中简示出了在切割平面中以一角度相对于主轴相交的压电主体，而图4b示出了例如针对石英晶体相对于主轴的切割角度的推力系数和横向系数的角度相关性。具体实施方式在附图中示出了测量元件2，该测量元件能够被安装在传感器结构0上并且在例如被设置在电机的燃烧室中的情况下用于动态和/或静态压力的压力测量和/或温度测量。传感器结构0由测量元件2和测量元件收纳部1组成。测量元件2具有由压电材料制成的一体式主体20，该主体被位置稳定地安装在测量收纳部1中，使得测量元件2或主体20可以在测量运行中接收力。为此，测量元件2可松脱或不可松脱地以形状配合和/或力配合的方式沿着纵向方向L被夹紧地安装在测量元件收纳部1中。在这里，膜片10以及支座11被配置为测量元件收纳部1的部件，主体20在它们之间被夹紧。在测量元件2的运行中，可以确定沿纵向方向L作用在主体20上的力F，由此可以确定所承受的压力P。主体20具有第一侧表面21，在该第一侧表面上设置有第一侧表面电极210。在沿横向方向Ta与第一侧表面21相对置设置的第二侧表面22上设置有第二侧表面电极220。在力或压力沿纵向方向L作用在主体20上的情况下，可以在分析和激励电子装置3上测量到电压信号或电荷信号。该分析和激励电子装置3通过引线与所述两个侧表面电极210、220相连接。在此所提出的测量元件2被设计为能够以两种测量模式同时运行，在此，通过充分利用横向效应形式的压电(或直接压电)效应和充分利用由于将测量元件2构造为厚度方向剪切振动器而引起的逆压电效应，可以借助于同一测量元件2同时测量动态压力和静态压力。主体2以厚度方向剪切振动频率f的所进行的电子激励同样通过与侧表面电极210、220相连接的分析和激励电子装置3来进行。这种厚度方向剪切振动(Dickenschwerschwingungen)平行于纵向方向或横向于纵向方向地进行并通过箭头来简示，但是在图2中仍然被准确地示出。因为在这里在侧表面电极210，220上进行了由于横向效应的电荷测量和厚度方向剪切振动的激励本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量动态压力并附加地用于测量温度和/或静态压力的测量元件(2)，所述测量元件包括由压电材料制成的主体(20，20′)，其中，所述主体(20，20′)具有沿横向方向(Ta)彼此对置设置的侧表面(21，22)，在所述侧表面上分别设置有侧表面电极(210，220)，其中，为了充分利用压电效应，所述测量元件(2)能够沿纵向方向(L)被预紧地设置在测量元件保持件(1)中并能够承受力(F)，其特征在于，所述主体(20，20′)的压电材料以如下的方式选择：即，压电e张量(eijk)的推力系数(eiij)不等于零(其中，i(i＝1..3)并且j(j＝1..3))，由此能够在作为厚度方向剪切振动器工作时充分利用逆压电效应；以及附加地，压电d张量(dijk)的横向系数(dijj)不等于零(其中，i＝(1..3)并且j(j＝1..3))；和/或所述压电d张量(dijk)的纵向系数(diii)不等于零(其中，i＝(1..3)并且j(j＝1..3))，由此使得沿横向方向(Ta)的横向压电效应和/或沿纵向方向(L)的纵向压电效应能够同时与所述逆压电效应通过相同的主体(20，20′)被应用。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.21 CH 434/141.一种用于测量动态压力并附加地用于测量温度和/或静态压力的测量元件(2)，所述测量元件包括由压电材料制成的主体(20，20′)，其中，所述主体(20，20′)具有沿横向方向(Ta)彼此对置设置的侧表面(21，22)，在所述侧表面上分别设置有侧表面电极(210，220)，其中，为了充分利用压电效应，所述测量元件(2)能够沿纵向方向(L)被预紧地设置在测量元件保持件(1)中并能够承受力(F)，其特征在于，所述主体(20，20′)的压电材料以如下的方式选择：即，压电e张量(eijk)的推力系数(eiij)不等于零(其中，i(i＝1..3)并且j(j＝1..3))，由此能够在作为厚度方向剪切振动器工作时充分利用逆压电效应；以及附加地，压电d张量(dijk)的横向系数(dijj)不等于零(其中，i＝(1..3)并且j(j＝1..3))；和/或所述压电d张量(dijk)的纵向系数(diii)不等于零(其中，i＝(1..3)并且j(j＝1..3))，由此使得沿横向方向(Ta)的横向压电效应和/或沿纵向方向(L)的纵向压电效应能够同时与所述逆压电效应通过相同的主体(20，20′)被应用。2.根据权利要求1所述的测量元件，其中，为了实现足够的振动品质，所述主体(20，20′)的压电材料被如下地选择：机电耦合系数(kiij2)大于等于0.001，优选大于等于0.01。3.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其中，所述压电主体(20，20′)被从压电单晶体中切出，其中，切割平面(40)被沿着相对于所述压电单晶体的主轴(z)的切割角度(α)选择如下地定向为：所产生的主体(20，20′)的推力系数(eijj)、横向系数(dijj)和/或纵向系数(diii)不等于零。4.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其中，所述压电材料是压电单晶材料，例如电气石、LiNbO3、LiTaO3或以具有作为稀土元素(Y，Gd，La)的Re的ReCa4O(BO3)3形式的含氧硼酸。5.根据权利要求1至3中任一项所述的测量元件，其中，所述压电材料是如下的压电单晶材料：该压电单晶材料由晶体学空间群P321、例如石英或GaPO4制成。6.根据权利要求1至3中任一项所述的测量元件，其中，压电材料是具有类似于硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)的晶体结构的晶体，例如La3Ga5.5Ta0.5O14、La3Ga5.5Nb0.5O14、Ca3Ga2Ge4O14、La3Ga5Ge0.5O14、Ca3TaGa3SiO14、Ca3NbGa3SiO14、Sr3TaGa3SiO14、Sr3NbGa3SiO14、Ca3Ga2Ge4O14...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗兰·松梅尔，克劳迪奥·卡瓦洛尼，
申请(专利权)人：基斯特勒控股公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH