用于测量压力和/或作用力的传感器

摘要

一种用于测量压力和/或作用力的传感器包括：至少一个测量装置，该测量装置带有至少一个用于动态压力或作用力测量的、受压缩应力的压电式测量元件（2）；以及用于将压力或作用力传导到至少所述压电式测量元件上的膜片（3）。为了给出用于压力或作用力测量的传感器的另一种能够实现改善静态和动态效应的采集的实施方式，建议为所述传感器设有另外的基于其他物理测量原理的用于静态压力或作用力测量的测量装置（4、7）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量压力和/或作用力的传感器，该传感器包 括：至少一个测量装置，该测量装置带有至少一个用于动态压力或作 用力测量的、受压缩应力的压电式测量元件；以及用于将压力或作用 力传导到至少所述压电式测量元件上的膜片。

背景技术

压电式压力传感器利用以下效应，即，压电式材料的表面在机械 负荷下与所述机械负荷成比例地充电，从而可以进一步地由此产生可 处理的电荷信号。这种传感器是最适合用于动态测量技术的主动传感 器。此外也已知压电阻抗的压力传感器，该压力传感器在机械应力下 改变其电阻。

在US2006137456中描述了一种传感器，该传感器具有贴靠在基 材上的氮化镓膜片，所述基材被蚀刻以形成穴部。所述膜片对外界激 励不仅显示出电容响应、而且显示出压电效应。此外，所述传感器还 具有用于至少所述响应之一的测量回路并且可用于测量诸如压力、作 用力或机械振动的外界激励。

为了能实现利用仅一个传感器既进行动态压力测量、也进行静态 压力测量，在JP2004226294A中建议，在带有压电式材料的基材上 在两个表面上构造电极。设有一个在一侧带有绝缘材料和一个第三电 极的并在另一侧设有一个（试验用）假电极的膜片，其中，基材这样 地粘合到膜片上，即第二和第三电极彼此相对。由此，静态压力可由 第二和第三电极之间的电容算出，并且动态压力可由基材的压电效应 算出。

发明内容

本发明的任务现为给出如开头的、用于测量压力或作用力的传感 器的另一种实施方式，该实施方式能够实现改善静态和动态效应的采 集。

为了解决这一任务，所述传感器根据本发明特征在于，设有另外 的基于其他物理测量原理的用于静态压力或作用力测量的测量装置。 由此一方面以高的精确度和安全性除了对动态和静态压力或作用力的 并行的、相位准确的测量之外，传感器的自检测功能也是可能的，当 动力下降到用于静态测量的测量原理的范围内时。通过静态和动态测 量的组合产生更高带宽的相位准确的信号。

这种传感器的第一实施方案的特征在于，所述传感器的至少一个 受压力和/或作用力影响的区域设置有用于静态压力或作用力测量的 应变结构。

在此，所述应变结构可以安装在至少一个被压力或作用力加载的 测量元件的面上，其中，所述测量元件优选地在横向模式中运行。

作为另外的根据本发明的用于将动态和静态压力或作用力测量相 结合的方案，开头所述的传感器的特征也可以在于，至少一个用于静 态压力或作用力测量的压电式元件作为被膜片施加压缩应力的压电式 谐振器运行。

若根据另一实施方式应变结构以偏离所述镦锻方向的定向、优选 正交于该方向地设置，则可由所有应变结构的信号的关系确定取决于 温度的尺寸变化并可由此进行温度补偿。

然而温度补偿也可以根据所述传感器的另一个实施方式进行，当 至少一个另外的应变结构设置在所述传感器的不受压力和/或作用力 影响的区域内时。

附图说明

在下面的描述中，应通过有利的实施例并参考附图对本发明进行 详细的说明。

在此，图1示出根据本发明的传感器的一种方案，其中，静态压 力测量通过应变片进行，其中，在图的左侧可以看到在右侧的B-B线 高度处的横截面，而图的右侧是沿左侧的B-B平面的纵剖面；并且图 2为根据本发明的传感器的另一个实施方式，其中，静态压力测量借 助于压电式谐振器进行，其中，还是在图的左侧可以看到在右侧的B-B 线高度处的横截面，而图的右侧是沿左侧的B-B平面的纵剖面。

具体实施方式

图1中示出的传感器在一个传感器外壳1中具有两个压电式测量 元件2，所述两个压电式测量元件优选在横向模式中运行，以测量动 态压力。压电式测量元件2固定地保持在传感器外壳1中并且是预紧 的。作用力经由膜片3传导到测量元件2的端面上，其中，所述测量 元件与施加的作用力成比例地被镦锻。所述镦锻用以产生不同的测量 信号。

为了按另一种物理原理的静态压力测量而设有应变结构4，所述 应变结构安装在一个或多个附加的元件5上。例如（如图1所示）借 助于薄层技术将介电质以及紧接着将应变结构4安装在一个或多个所 述压电式测量元件5的电极面上。由于用于动态测量的信号和用于静 态测量的信号因而经由同一个膜片3产生，所以两个信号的相位正确 的测量是可能的。

压电晶体5可选地不被用于压电式测量功能，而仅被用作为用于 应变结构4的载体，所述应变结构在此情况下直接安装到不导电的晶 体面上。所述晶体5不必一定具有与那些带有压电式测量功能的晶体 同样的切割角。应变结构4原则上也可以设置在传感器外壳1上或者 任意其他区域上，只要这些区域受要测量的压力或作用力影响，就是 说由于要测量的压力或作用力而变形。

作为接触的可能的实施方式可以例如考虑：应变片4用连接技术 接触，或接触部经由在各接触面上的衬垫6实行，其中，各元件上的 印制导线于是被引导至端面，并且相应地经由各接触面上的印制导线 被引到连接金属线。为了能使所述接触的接触电阻的影响最小化，触 点可以设计成双倍的（4导线连接）。

但静态压力测量也可以如同在图2的传感器中示例性地示出的那 样经由一个或多个测量元件7实现，所述一个或多个测量元件作为压 电式谐振器（厚度剪切振动器）运行。通过作用到测量元件7上的力 产生的镦锻导致谐振频率的位移，该位移直接与施加的压力成比例。 测量元件7的激励经由所述测量元件的侧面上的电极实现。所述电极 可以借助于连接或如同在横向的压电测量元件2中那样经由端面被接 触。各接触面须相应地具有自己的相互电绝缘的区域，如这示意性地 由点划线示出。

在每种情况下，除了已经说明的相位正确的动态和静态压力或作 用力测量的优点以外，以上设想的所有方案在静态和动态测量的重叠 范围内提供通过适当的信号修整而实现的其他有利的可能性。如此可 为了传感器的自检测功能而例如形成两个信号的差分。为了在重叠范 围内更高的测量值精确度可例如形成多个信号的必要时加权的平均 值。