具有集成的温度测量的振动传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种具有集成的温度测量的振动传感器，该振动传感器具有能够振动的薄膜以及用于使所述薄膜振动并用于测量所述薄膜的振动的压电驱动器，驱动器具有机械地串联连接的至少两个压电元件，其中至少一个第一压电元件由第一压电材料形成且至少一个第二压电元件由第二压电材料形成，并且通过检测至少一个压电元件的电容来确定温度。

A vibration sensor with integrated temperature measurement

The invention relates to a vibration sensor with integrated temperature measurement, which has a vibratory film and a piezoelectric actuator for vibration of the film and used to measure the vibration of the film, with at least two piezoelectric elements connected mechanically in series, at least one first pressure. The electric element is formed by a first piezoelectric material and at least one second piezoelectric element is formed by a second piezoelectric material, and the temperature is determined by detecting the capacitance of at least one piezoelectric element.

【技术实现步骤摘要】
具有集成的温度测量的振动传感器
本专利技术涉及一种根据权利要求1的前序部分的具有集成的温度测量的压电操作型振动限位开关。
技术介绍
作为振动限位开关使用的振动传感器在现有技术中是已知的，其中，振动传感器具有能够被驱动器激励以形成振动的薄膜，由此能够激励布置在薄膜上的机械振动器进行振动。根据机械振动器被填充材料覆盖的水平以及该填充材料的粘度，机械振动器以特定频率进行振动，该特定频率被振动传感器检测并能够被转换成测量信号。图8示出了现有技术中已知的特别地可作为振动限位开关使用的压电驱动型振动传感器。振动传感器具有能够被驱动器3激励以进行振动的薄膜5，且驱动器3包括多个具有开口9的环形压电元件7和环形压电元件7的电触点。典型地，压电元件7通过(布置在振动传感器1的薄膜5上并延伸穿过压电元件7的开口9的)连接螺钉17被朝向薄膜5拉紧，使得由电信号产生的压电元件7的振动被可靠地传递到薄膜5上。通常，装配陶瓷13和拉紧盘14布置在压电元件7和薄膜5之间，由此确保了机械振动至薄膜5的针对性引入以及压电元件7与通常由金属形成的薄膜5的电隔离和热调节。类似于薄膜5和压电元件7之间的装配陶瓷13和拉紧盘14，同样可以在拉紧螺栓19与压电元件7之间设置另外的装配陶瓷13和拉紧盘14，使得拉紧螺栓19也与压电元件7电绝缘。压电元件7可以经由套管10与连接螺钉17绝缘，其中，套管10布置在开口9中且在这里未被示出。压电元件7的电触点由布置在压电元件7的表面上且经由电缆25进行外部接触的电极8来实现。被作为桨设计的两个机械振动器11通常布置在薄膜5的背向驱动器3的一侧，机械振动器将耦合在薄膜5中的振动传递到机械振动器11周围的介质。上述类型的振动传感器，特别是用于流体的振动限位开关根据共振频率偏移原理进行工作。根据介质的覆盖水平、密度和温度，振动限位开关以不同的共振频率和振幅进行振动。在这里，共振频率的大小取决于介质的粘度。频率偏移取决于介质的密度和温度。为了能够补偿温度对共振频率的影响，必须获知压电驱动器和/或振动元件处的温度。通过所使用的材料的材料常数，特别是通过薄膜和振动元件的材料常数来获知温度对共振频率的影响。如果温度是已知的，则能够补偿由温度影响导致的共振频率偏移。在现有技术中，使用了图8中的由22表示的PT100型温度传感器。在现有技术中的已知的振动传感器的情况下，可以想到的缺点在于，温度检测需要具有额外的空间要求、额外的成本和额外的配线的作为额外部件的温度传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于进一步改进具有集成的温度测量的振动传感器，使得不需要单独的传感器。该目的通过具有权利要求1的特征的振动传感器来实现。从属权利要求给出了有利的其它改进。根据本专利技术的具有集成的温度检测功能的振动传感器具有能够振动的薄膜和用于使薄膜振动并用于检测薄膜的振动的压电驱动器，其中，驱动器具有机械地串联连接的至少两个压电元件，其特征在于，至少一个第一压电元件由第一压电材料形成，且至少一个第二压电元件由第二压电材料形成，且通过检测至少一个压电元件的电容来确定温度。通过使用由不同压电材料形成的至少两个压电元件，能够使两个不同的压电元件在它们的诸如耦合因数和介电常数等特性的方面具有不同的温度依赖性。以此方式，通过合适的材料组合，能够提供具有既可以用于宽温度范围又可以实现集成的温度检测的驱动器的振动传感器。需要对材料进行不同的选择，这是因为具有在宽温度范围内在很大程度上恒定的耦合因数或具有仅在小温度范围内波动的耦合因数的材料通常也在它们的介电特性(特别是相对介电常数)方面还具有低的温度依赖性。另一方面，在介电特性方面具有高的温度依赖性并因而良好地适用于确定温度的材料也在耦合因数方面具有高的温度依赖性，该耦合因数在接近相应材料的居里温度时显著下降，因而使得驱动器的效率显著下降。为了确定关于所使用的压电元件的方向，如图7所示，引入了以类似于笛卡尔坐标系的X、Y和Z轴的方式布置的轴线1、2和3。同样，如图7所示，通过数字4、5和6表示围绕相应轴线的旋转方向。由此，轴线3沿相应的压电元件的极化方向布置。由于压电材料是各向异性的，所以通过张量来说明并根据上面的轴线编号来标记对应的物理量。耦合因数k是压电效应的大小的量度。它描述了压电材料将所吸收的材料能量转换成机械能量(或相反)的能力。耦合因数是根据所存储的机械能量与总的吸收能量的比值的平方根来计算的。在动态条件下，耦合因数k取决于压电体的相应振动模式。对于本类型的振动传感器的压电驱动器来说特别重要的是纵向振动k33的耦合因数，即压电元件在轴线3的延伸方向(即极化方向)上以何种程度转化被施加在极化方向上的电压。以相同的方式，介电常数ε或相对介电常数εr具有方向依赖性。εr描述压电材料的介电常数ε与介电常数ε0的比值，其中介电常数ε表示压电材料在电场中的极化率的量度。同样地，相对介电常数εr在电场方向和介电位移上的依赖性也由对应的标记表示。Ε33描述在也被施加在极化方向上的电场的情况下极化方向上的介电常数ε。如果在本专利技术中提及没有明确的标记或方向指示的耦合因数，则该耦合因数是在33-方向上的耦合因数，即是在平行于压电元件的极化且垂直于振动传感器的薄膜的方向上的耦合因数。这也适用于相对介电常数，即在没有明确的标记或方向指示的情况下，相对介电常数是33-方向上的相对介电常数。在根据不同的材料进行使用时，有利地，第一压电材料的第一相对介电常数和第二压电材料的第二介电常数具有不同的温度依赖性。特别有利的是，33-方向上的第一相对介电常数和33-方向上的第二相对介电常数具有不同的温度依赖性。而且，对于材料组合来说有利的是，第一压电材料的在材料极化方向上的第一耦合因数和第二压电材料的在材料极化方向上的第二耦合因数具有不同的温度依赖性。通过合适的不同的温度依赖性，能够为驱动器选择材料组合，该材料组合在整体上具有能够满足振动传感器在宽温度范围内的操作的耦合因数，该温度范围例如为-50℃至+200℃，有利地高达+250℃或+300℃。当压电材料接近其居里温度时，压电材料的耦合因数随着温度增加而显著地降低。这种效应从居里温度的约70％开始尤其强烈地出现。有利地，第一耦合因数在-50℃至+200℃的温度范围内具有近似线性的温度依赖性，即相对于温度的变化。特别地，第一耦合因数在该温度范围内的相对变化可小于+/-15％，优选地小于+/-10％，且更优选地等于或小于+/-5％。这种具有大致恒定的耦合因数的线性特性确保了压电驱动器能够可靠地用于整个温度范围。例如，第一耦合因数在该温度范围内的值在10和20之间，优选地在15和20之间的范围内。33-方向上的耦合因数被如下地定义：这里，所使用的公式符号具有下面的含义：k33是33-方向上的耦合因数；W机械,3是33-方向上的机械功；W电学,3是33-方向上的电学能量；U3是33-方向上的电极电压；b是22-方向上的压电宽度；h是11-方向上的压电高度；l是33-方向上的压电长度；d33是33-方向上的压电常数；是33-方向上的弹性顺度常数；是33-方向上的相对介电常数。为了通过整个驱动器的电容或单个压电元件的电容测量来确保最佳的温度检测，有利的是，第二相对介电常数在该温度范围内的相对变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有集成的温度测量的振动传感器(1)，其具有：能够振动的薄膜(5)；压电驱动器(3)，所述压电驱动器用于使所述薄膜(3)振动并用于测量所述薄膜(3)的振动，其中，所述压电驱动器具有机械地串联连接的至少两个压电元件(71、72)，其特征在于，至少一个第一压电元件(71)由第一压电材料形成，且至少一个第二压电元件(72)由第二压电材料形成，并且通过检测至少一个压电元件的电容来确定温度。

【技术特征摘要】
2016.10.20 EP 16194931.81.一种具有集成的温度测量的振动传感器(1)，其具有：能够振动的薄膜(5)；压电驱动器(3)，所述压电驱动器用于使所述薄膜(3)振动并用于测量所述薄膜(3)的振动，其中，所述压电驱动器具有机械地串联连接的至少两个压电元件(71、72)，其特征在于，至少一个第一压电元件(71)由第一压电材料形成，且至少一个第二压电元件(72)由第二压电材料形成，并且通过检测至少一个压电元件的电容来确定温度。2.根据权利要求1所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一压电材料的第一相对介电常数(εr1)和所述第二压电材料的第二相对介电常数(εr1)具有不同的温度依赖性。3.根据权利要求1或2所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一压电材料的在材料极化方向上的第一耦合因数(k1)和所述第二压电材料的在材料极化方向上的第二耦合因数(k2)具有不同的温度依赖性。4.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一耦合因数(k1)在-50℃至+200℃的温度范围内具有近似线性的变化。5.根据权利要求3所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一耦合因数(k1)在所述温度范围内的相对变化小于+/-15％，优选地小于+/-10％，且更优选地等于或小于+/-5％。6.根据权利要求4所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一耦合因数(k1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：多米尼克·费伦巴赫，福尔克·奥尔盖耶，
申请(专利权)人：VEGA格里沙贝两合公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE