具有压电转换器的传感器元件制造技术

本发明专利技术涉及一种具有至少一个压电转换器（11）的传感器元件（10），其中，所述压电转换器（11）与至少一个忆阻器（20）耦合。此外，本发明专利技术涉及一种具有多个像素的布置的传感器，其中，所述像素中的至少一个包括所述传感器元件（10）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术涉及一种具有至少一个压电转换器（11）的传感器元件（10），其中，所述压电转换器（11）与至少一个忆阻器（20）耦合。此外，本专利技术涉及一种具有多个像素的布置的传感器，其中，所述像素中的至少一个包括所述传感器元件（10）。【专利说明】具有压电转换器的传感器元件
本专利技术涉及一种具有至少一个压电转换器的传感器元件。
技术介绍
压电效应是公知的并且在技术上被充分使用来测量施加的力。在此，力导致梁或膜片的弹性变形并且由此导致材料中电极化的变化。由此发生电荷分离，所述电荷分离又可作为电压探测。压电效应只发生在某些材料中。属于这些材料的有例如石英、锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AIN)以及某些陶瓷。然而，压电转换器中的电荷分离根据材料和周边电路具有或长或短的持续，也就是说，施加的力从第一恒定水平到第二恒定水平(阶跃)的变化在或长或短的时间后被转换器“遗忘”。这意味着，直接使用的压电转换器不能够用于测量DC (“Direct Current”，也就是直流)信号。因此，这样的压电转换器原则上不是特别适合于将时间上恒定的力转换成测量信号(电压)。出于所述目的，在现有技术中需要面积密集的有源电路(电荷放大器)，其通常由于空间原因而不能够直接安置在压电转换器上。在例如汽车工业中使用的传感器中，经常使用压电转换器来测量当弹性变形时例如在传感器膜片中出现的压电效应。这种压电转换器例如用在力传感器、压力传感器或加速度传感器中。在这样的力传感器、压力传感器或加速度传感器中的机械变形导致压电电荷，所述压电电荷能够借助电荷放大器转换成具有低阻抗的电压。电荷也可用来给电容器充电并且借助尽可能高欧姆的电压表测量所述电容器的电压。然而，在此，由于缺少绝缘电阻，可能例如由于湿气使结果失真并且使记录相对缓慢的变形变得困难。DE2109388A描述了一种压电转换器，所述压电转换器连接到具有第一晶体管和第二晶体管的放大器或者阻抗转换器上。压电转换器与晶体管一起安置在一个唯一的转换器壳体中。此外必须通过帯电压的电缆使晶体管运行，电压例如来自电池。因此，为了放大或转换压电转换器的信号必须支出高的电路技术耗费，这其中导致整个布置例如对于在机动车中的安装是相对大的并且难处理的。
技术实现思路
根据本专利技术提出一种具有至少一个压电转换器的传感器元件，其中，压电转换器与至少一个忆阻器耦合。忆阻器(组合词:记忆和电阻)在本专利技术的意义上是无源的元件，其电阻不恒定，而是与其过去有关。除电阻、电容器和电感之外，忆阻器通常被描述为第四个基本的无源元件。已经对忆阻器的基本特性进行了详尽的理论探究(Strukov等所著的《The missingmemristor found》，《自然》453(2008年)，80ff页)。忆阻器的使用例如在US2010/019656A1中与磁存储元件关联地被描述。对存储元件来说，DE102009026189A1提及忆阻器作为RAM部件(Random Access Memory:随机存取存储器)的替代方案的使用。在忆阻器中，元件的当前电阻与多少电荷q(t)在哪个方向上流动有关。忆阻器的电阻，也称作忆阻M(t)，尤其与曾经流经其的电流i(t)的积分有关。因此，在忆阻器上下降的电压u(t)通过忆阻M (t)和电流i(t)由u(t)=M(q(t)) I (t)给出。在忆阻器的实现中，忆阻器可以包括不同电导率的至少两个区域。此外，忆阻器的至少两个区域具有确定的大小。如果电流流过部件，则所述区域的大小可能变化。例如区域可以被构造为分别由一个绝缘体和一种金属导电的材料组成的层。在此，使用的典型的材料包括TiO2和掺杂的TiO2，例如Ti02_x，其中，X=0.05。当氧离子或者作为掺杂物起作用的空穴在电场中传输时，在这个具体的示例中两个区域之间的边界移动。由于忆阻器的结构形式，忆阻器能够具有不同的极性，其中，装配方向是重要的。同样作为环形芯电感的其他元件——例如具有棒状磁芯或具有以由气隙中断的环的形式的磁芯的元件能够以根据本专利技术的方式冷却。在根据本专利技术的传感器元件的一种实施方式中，压电转换器与忆阻器并联连接。在根据本专利技术的传感器元件的实现中，忆阻器为半桥的一部分。半桥通常包括两个元件组成的串联电路以及一桥臂，所述桥臂在两元件之间横向延伸。半桥优选包括两无源元件，其中，所述元件中的至少一个可以是忆阻器。半桥能够包含两个相反极性的忆阻器。传感器元件能够进一步构造用于在读取工作方式或测量工作方式中运行。在读取工作方式和测量工作方式之间的切换借助开关实现。此外，在测量工作方式中可以如此连接开关，使得传感器元件的忆阻器与压电转换器耦合。在读取工作方式中开关能够换位，使忆阻器与压电转换器退耦并且与读取电子设备接触。读取电子设备可以包括电压源，优选交流电压源和电压测量仪器，例如电压表。转换器和忆阻器可以由CMOS兼容的材料制造。适合的材料尤其是那些在半导体制造中使用的材料，例如用于压电转换器的AIN和用于忆阻器的Ti02。此外，根据本专利技术提出一种用于运行上述传感器元件的方法，其中，对传感器元件的读取借助交流电压实现。附加地，根据本专利技术提出一种具有多个像素的布置的传感器，其中，所述像素中的至少一个包括如上所述的传感器元件。在根据本专利技术的传感器的一种实施方式中，所述布置包括多个传感器元件的矩阵布置。在根据本专利技术的传感器的另一种实施方式中，传感器被构造用于与读取电子设备低欧姆连接。根据本专利技术又提出一种用于运行传感器的方法，其中，逐行和/或逐列地实现传感器的读取。在实现根据本专利技术的用于运行传感器的方法中，实现对像素的时间错开的读取。根据本专利技术，在力传感器、压力传感器、旋转加速度传感器或应力传感器或机械应力传感器中提出如上所述的传感器元件的使用。专利技术优点压电转换器与忆阻器的根据本专利技术提出的组合允许立即检测产生的瞬态信号。由此产生与有源电路相比更小的面积需求。产生的信号改变忆阻器的阻抗M(t)并且可以随时可靠地读取，其中，读取是低欧姆的并且因此对干扰不敏感。此外小的面积需求使得可能的是，规定压电传感器与忆阻器的根据本专利技术提出的组合作为多个像素的布置中的像素并且因此实现高的分辨率。此外，时间错开地读取各个像素。此外，通过与读取电子设备的低欧姆的连接来传输大信号，从而电磁干扰不影响测量。【专利附图】【附图说明】现在，借助附图更详细地描述本专利技术的其他的方面与优点。在此示出:图1:压电转换器的等效电路图，如由现有技术中公知的那样，图2:根据图1的电压转换器的阶跃响应，图3:根据本专利技术的具有压电转换器和并联连接的忆阻器的传感器元件，图4:根据本专利技术的根据图3的传感器元件的阶跃响应，图5:根据本专利技术的在测量工作方式中的传感器元件，图6:根据本专利技术的、在读取工作方式中的传感器元件，图7:根据本专利技术的、在读取工作方式中的传感器元件的差分结构，图8:具有布置在矩阵中的传感器元件的传感器，其中，对于像素来说实现逐列和逐行的读取。【具体实施方式】图1示出压电转换器11的等效电路图。压电转换器11的等效电路图包括模拟压电效应的电流源12。此外，电流强度i(t)具有与压电灵敏度k和待转换的力F相关的分布:i (t) =k δ F ⑴ / δ t。另外，内阻14和电容16并联本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器元件（10），所述传感器元件具有至少一个压电转换器（11），其中，所述压电转换器（11）与至少一个忆阻器（20）耦合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·弗兰克，A·比曼，F·亨里奇，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：
国别省市：