DE19856951A1 - Sensor system for determining mechanical variables at structural element eg. pressure with evaluation of propagation condition of acoustic surface waves SAW using measuring element of piezoelectric - Google Patents
Sensor system for determining mechanical variables at structural element eg. pressure with evaluation of propagation condition of acoustic surface waves SAW using measuring element of piezoelectricInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung mechanischer Größen an einem Bauelement, wie z. B. Druck, mechanische Spannung oder Drehmoment, und ein Messverfah ren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a sensor arrangement for detection mechanical sizes on a component, such as. B. pressure, mechanical tension or torque, and a measuring method ren according to the preamble of the main claim.
Es ist bekannt Sensoranordnungen mit sog. akustischen SAW- oder Oberflächenwellenbauelementen (SAW = Surface Acoustic Wave) als Sensoren für verschiedenste physikali sche Größen aufzubauen. Beispielsweise ist aus der Druck schrift "Development of SAW Pressure Sensor Using Stain less Steal Diaphrags", Yoshinori D. und Masakuni T., IEEE 1991, 1009/A13.1 bekannt, dass zur Messung von Drücken bis ca. 350 bar die Oberflächenwellen mittels einer ge sputterten Zinkoxydschicht auf einer Edelstahlmembran an geregt und mit einer elektronischen Schaltung ausgewertet werden. Problematisch sind hierbei die schlechten Tempe ratureigenschaften des Sensors und darüber hinaus berei tet das Herstellungsverfahren zur Abscheidung piezoelek trischer Zinkoxydschichten einen erheblichen technologi schen Aufwand. Ferner sind Probleme bei der Reproduzier barkeit der Schichteigenschaften, der Langzeitstabilität und der Medienbeständigkeit nicht auszuschließen.It is known sensor arrangements with so-called acoustic SAW or surface wave components (SAW = Surface Acoustic Wave) as sensors for various physi build up big sizes. For example, is out of print font "Development of SAW Pressure Sensor Using Stain less Steal Diaphrags ", Yoshinori D. and Masakuni T., IEEE 1991, 1009 / A13.1 known to measure pressures up to approx. 350 bar the surface waves by means of a ge sputtered zinc oxide layer on a stainless steel membrane excited and evaluated with an electronic circuit become. The bad temperatures are problematic rature properties of the sensor and beyond tet the manufacturing process for the deposition piezoelek tric zinc oxide layers a considerable technology effort. There are also reproductive problems Availability of the layer properties, long-term stability and media resistance cannot be ruled out.
Im Allgemeinen gewinnen insbesondere Hochdrucksensoren mit der Entwicklung von Hochdruckdruckdirekteinspritzsy stemen und fortgeschrittenen Bremssystemen, wie z. B. ABS, Bremsassistent usw. in der Kraftfahrzeugtechnik zunehmend an Bedeutung. Hier müssen Drücke bis zu 2000 Bar bei ei ner Auflösung von einem Bar gemessen werden, wobei die zu erfassende maximale Membranauslenkung eines Druckkörpers aus Sicherheitsgründen nur wenige Mikrometer betragen darf.In general, high pressure sensors in particular gain with the development of high pressure direct injection systems stemen and advanced braking systems such. B. ABS, Brake assistant etc. in automotive engineering increasingly in importance. Here pressures up to 2000 bar must be ner resolution can be measured from a bar, the to detecting maximum membrane deflection of a pressure body only a few micrometers for safety reasons may.
Die eingangs erwähnte gattungsgemäße Sensoranordnung zur Erfassung von mechanischen Eigenschaften an Bauelementen unter Auswertung des Ausbreitungsverhaltens von akusti schen Oberflächenwellen ist gemäß der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs weitergebil det.The generic sensor arrangement mentioned at the outset for Detection of mechanical properties on components evaluating the propagation behavior of acousti surface waves is according to the invention with the characteristic features of the main claim further det.
Erfindungsgemäß ist in vorteilhafter Weise ein Messele ment aus einem piezoelektrischen Einkristall an dem Bau element angebracht. Das Messelement ist mit Interdigital wandlern versehen, die zur Erzeugung und zum Empfang der Oberflächenwellen, die von mechanischen Veränderungen am Bauelement beeinflussbar sind, geeignet sind, wobei zwi schen den Interdigitalwandlern eine Messstrecke gebildet ist.According to the invention, a Messele is advantageous ment from a piezoelectric single crystal on the building element attached. The measuring element is with interdigital transducers provided for the generation and reception of the Surface waves caused by mechanical changes on the Component can be influenced, are suitable, with zwi between the interdigital transducers is.
Die Erfindung basiert auf der Grundlage der eingangs er wähnten Erzeugung akustischer Oberflächenwellen, die mit Hilfe der Interdigitalwandler unter Ausnutzung der Piezo elektrizität geeigneter Einkristalle, wie z. B. Quarz, Lithiumtantalat, Lithiumniobat, Keramiken (PZT) oder po lykristalline Dünnschichten aus Zn0, PZT, ALN (Aluminiumnitrid) erzeugt werden. Für sich gesehen sind diese Interdigitalwandler aus dem Aufsatz "A study of Love-wave acoustic sensors", J.Du, G.L.Hardling, P.R.Ogilvy und M.Lake in der Fachzeitschrift Sensors and Actuators A56 (1996), Seiten 211 bis 219 bekannt. Die er forderlichen akustischen Wellenmoden werden hier mit den Interdigitalwandlern erzeugt und auch detektiert, so dass aus dem Ausbreitungsverhalten auf einer Ausbreitungs- oder Messstrecke das gewünschte Sensorsignal gewonnen werden kann.The invention is based on the beginning mentioned generation of surface acoustic waves with Help of the interdigital converter using the piezo electricity of suitable single crystals, such as. B. quartz, Lithium tantalate, lithium niobate, ceramics (PZT) or po Lycrystalline thin layers made of Zn0, PZT, ALN (Aluminum nitride). Are seen for themselves these interdigital converters from the essay "A study of Love-wave acoustic sensors ", J.Du, G.L. Hardling, P.R. Ogilvy and M.Lake in the trade journal Sensors and Actuators A56 (1996), pages 211 to 219 known. Which he required acoustic wave modes are here with the Interdigital transducers generated and also detected, so that from the spreading behavior on a spreading or The desired sensor signal can be.
Als Messaufbau können dabei in vorteilhafter Weise zwei in Form einer Verzögerungsleitung angeordnete Interdigi talwandler als frequenzbestimmendes Glied einer Oszilla torschaltung angewandt werden. Ferner können auch sog. Ein- oder Zweitor-SAW-Resonatoren verwendet werden.Two can advantageously be used as the measurement setup Interdigi arranged in the form of a delay line Talwandler as frequency-determining link of an Oszilla Gate circuit can be applied. Furthermore, so-called One- or two-port SAW resonators can be used.
Mit den erfindungsgemäßen Oberflächenwellensensoren kön nen auf einfache Weise mechanische Größen wie Druck, Spannung oder Drehmoment gemessen werden, indem die zu messende Größe gezielt zu einer Beeinflussung der elasti schen Konstanten des Substratwerkstoffes, auf dem die In terdigitalwandler angeordnet sind, und einer Längenände rung der Ausbreitungsstrecke genutzt wird. Meßeffekte sind dabei in der Regel eine Veränderung der Ausbrei tungsgeschwindigkeit und der Laufzeit der akustischen Welle, die als Frequenzänderung in der Oszillatorschal tung detektiert werden können. Vorteile dieses Meßprin zips sind insbesondere die außerordentlich hohe Meßemp findlichkeit, die gute Linearität der Messsignale und der einfache Aufbau eines Sensorelementes.With the surface wave sensors according to the invention mechanical quantities such as pressure, Voltage or torque can be measured by the to Measuring size specifically to influence the elasti constants of the substrate material on which the In terdigital converter are arranged, and a length change spreading route is used. Measurement effects are usually a change in the spread speed and the running time of the acoustic Wave as a frequency change in the oscillator scarf tion can be detected. Advantages of this measuring prin zips are especially the extraordinarily high Meßemp sensitivity, the good linearity of the measurement signals and the simple construction of a sensor element.
Das Bauelement, an dem gemessen werden soll, ist vorzugs weise ein Druckkörper, z. B. aus Edelstahl, an dem im Be reich des Messelements eine Messmembran zur Erfassung des auf den Druckkörper wirkenden Drucks gebildet ist. Neben dem Messelement kann in vorteilhafter Weise außerhalb des Bereichs der Messmembran ein im wesentlichen gleich auf gebautes Referenzelement zur Bildung einer Referenzstrec ke angeordnet sein.The component to be measured is preferred as a pressure body, for. B. made of stainless steel, on the Be range of the measuring element is a measuring membrane to record the pressure acting on the pressure body is formed. Next the measuring element can advantageously outside the Area of the measuring membrane is essentially the same built reference element to form a reference track ke be arranged.
Vorteilhaft ist es auch, wenn auf dem Bauelement direkt eine Auswerteelektronik mit entsprechend kurzen elektri schen Verbindungsleitungen zum Messelement und zum Refe renzelement angeordnet ist.It is also advantageous if directly on the component evaluation electronics with correspondingly short electri connecting lines to the measuring element and to the ref renzelement is arranged.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind das Messelement und das Referenzelement mit fernabfragefähi gen unterschiedlichen Codes versehen, wobei das Mess signal aus der Auswertung der Phasenlagen von an dem Mes selement und dem Referenzelement reflektierten hochfre quenten Pulsen einer in einem Abstand angeordneten Sende- und Empfangseinheit bestimmbar ist. Die Laufzeitänderung der Oberflächenwelle wird hier dadurch bestimmt, indem die Phasenlage der reflektierten Pulse im Vergleich zum Oszillator der Sende- und Empfangseinheit gemessen wird. Die Differenz von Sensor- und Referenzsignal ist hierbei das Maß für das Messsignal. In besonders vorteilhafter Weise eignet sich die erfindungsgemäße Sensoranordnung dadurch zur telemetrischen Abfrage des Messsignals, so dass ein Einsatz unter Bedingungen, die keine direkte elektrische Kontaktierung zulassen, möglich wird.In another advantageous embodiment, these are Measuring element and the reference element with remote query capability different codes, the measurement signal from the evaluation of the phase positions of the measurement selement and the reference element reflected highly fre quent pulses of a spaced transmit and Receiver unit can be determined. The runtime change the surface wave is determined here by the phase position of the reflected pulses compared to Oscillator of the transmitter and receiver unit is measured. The difference between sensor and reference signal is here the measure of the measurement signal. In a particularly advantageous way The sensor arrangement according to the invention is suitable in this way thereby for the telemetric query of the measurement signal, so that use under conditions that are not direct Allow electrical contacting is possible.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Messelement, dem Referenzelement und/oder der Auswer teelektronik eine Haftschicht aus einem geeigneten Mate rial angeordnet, wobei die Haftschicht aus Seal-Glas oder SiO2 bestehen kann. Möglich ist hier auch, dass die Haft schicht durch Diffusionslöten zwischen zwei Metallschich ten bzw. unter Verwendung von gesputterten oder aufge dampften lötfähigen Metallschichten gebildet werden kann. According to a development of the invention between the Measuring element, the reference element and / or the Auswer teelektronik an adhesive layer from a suitable mate rial arranged, the adhesive layer of seal glass or SiO2 can exist. It is also possible here that the detention layer by diffusion soldering between two metal layers ten or using sputtered or raised vaporized solderable metal layers can be formed.
Bei einem vorteilhaften Messverfahren kann mit einer er sten Oszillatorschaltung, die das Messelement an einer Messstrecke aufweist, eine erste Oszillatorfrequenz f1 erzeugt werden. Mit einer zweiten Oszillatorschaltung, die das Referenzelement an einer Referenzstrecke auf weist, wird eine zweite Oszillatorfrequenz f2 erzeugt und aus der Mischfrequenz Δf der beiden Oszillatorfrequenzen f1 und f2 kann somit das Messsignal ermittelt werden. Das Messelement und das Referenzelement dienen somit als fre quenzbestimmende Glieder zweier Oszillatoren, deren nie derfrequente Mischfrequenz ein direktes Maß für das Mess signal darstellt.In an advantageous measuring method, a first oscillator frequency f 1 can be generated with a first oscillator circuit that has the measuring element on a measuring section. A second oscillator circuit, which has the reference element on a reference path, generates a second oscillator frequency f 2 and the measurement signal can thus be determined from the mixed frequency Δf of the two oscillator frequencies f 1 and f 2 . The measuring element and the reference element thus serve as frequency-determining elements of two oscillators, whose non-frequency mixing frequency is a direct measure of the measurement signal.
Mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement kann somit eine einfacher und kostengünstiger Aufbau bei hoher Messemp findlichkeit und mechanischer Robustheit erreicht werden. Es steht ein quasidigitales, mit hoher Auflösung auswert bares Frequenzsignal als Messsignal zur Verfügung, das weitgehend unempfindlich gegenüber äußeren elektromag netischen Störungen ist und die Möglichkeit der Fernab frage eröffnet. Weitere Vorteile sind eine niedrige Tem peraturquerempfindlichkeit und Drift sowie ein einfacher und störunanfälliger Aufbau bei geringen Herstellungsko sten durch eine Reduzierung der Komplexität und Bauteile zahl.With the sensor element according to the invention, a simple and inexpensive construction with high measuring temp sensitivity and mechanical robustness can be achieved. It is a quasi-digital, evaluates with high resolution bares frequency signal available as a measurement signal largely insensitive to external electromag is and the possibility of remote interference question opened. Other advantages are a low tem temperature cross sensitivity and drift as well as a simple and failure-prone construction with low manufacturing costs by reducing complexity and components number.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen, ein schließlich der rückbezogenen Unteransprüche, auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. These and other features of preferred training gene of the invention go beyond the claims finally, the back-related subclaims, too the description and the drawings, the individual characteristics individually or for more ren in the form of sub-combinations in the execution form of the invention and realized in other fields his and advantageous as well as protectable execution represent representations for which protection is claimed here becomes.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoranord nung unter Benutzung von akustischen Oberflächenwellen werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Embodiments of the sensor arrangement according to the invention using surface acoustic waves are explained using the drawing. Show it:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Hochdruck- Sensoranordnung mit einer hybriden Oszillatorschal tung auf einer Messmembran; FIG. 1 is a section through a high-pressure sensor arrangement with a hybrid oscillator TIC measurement on a membrane;
Fig. 2 eine Abwandlung der Ausführungsform nach der Fig. 1 mit einer Fernabfrage zur Auswertung des Messsignals und FIG. 2 shows a modification of the embodiment according to FIG. 1 with a remote query for evaluating the measurement signal and
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild des Messaufbaus. Fig. 3 is a schematic diagram of the measurement setup.
Aus Fig. 1 ist ein Druckkörper 1 als zu messendes Bau element zu entnehmen, an dem eine Messmembran 2 gebildet ist, die aufgrund des hier zu detektierenden Drucks P ei ne mechanische Deformation erfährt, die mit einem auf der Messmembran angebrachten Oberflächenwellen-Messelement 3 detektiert wird. Zwischen dem Messelement 3 und der Mem bran 2 ist eine Haftschicht 4, beispielsweise aus nied rigschmelzendem Seal-Glas oder SiO2. Möglich ist auch das Löten oder Diffusionslöten unter Verwendung von gesput terten oder aufgedampften lötfähigen Metallschichten auf der Oberfläche des Druckkörpers 1 und der Unterseite des Messelements 3 und das Kleben.From Fig. 1, a pressure element 1 can be seen as a component to be measured, on which a measuring membrane 2 is formed, which undergoes mechanical deformation due to the pressure to be detected here, which detects with a surface wave measuring element 3 attached to the measuring membrane becomes. Between the measuring element 3 and the membrane 2 is an adhesive layer 4 , for example made of low-melting seal glass or SiO2. It is also possible to solder or diffusion solder using sputtered or vapor-deposited solderable metal layers on the surface of the pressure body 1 and the underside of the measuring element 3 and glue.
Hauptbestandteil der vorgeschlagenen Sensoranordnung ist das Messelement 3 aus einem piezoelektrischen Einkri stall, vorzugsweise aus Quarz, Lithiumtantalat oder Lithiumniobat), das mit Hilfe geeigneter Technologien, z. B. mittels der Haftschicht 4, auf der Oberfläche der in dem (Edelstahl-)Druckkörper 1 ausgebildeten Messmembran 2 aufgebracht wird. Auf dem Messelement 2 befindet sich ei ne Anordnung aus Interdigitalwandlern 5, mit denen, in der in der Beschreibungseinleitung erwähnten Weise, die Anregung und Detektion der akustischen Oberflächenwellen durchgeführt wird.The main component of the proposed sensor arrangement is the measuring element 3 consisting of a piezoelectric single crystal, preferably made of quartz, lithium tantalate or lithium niobate), which can be formed using suitable technologies, e.g. B. by means of the adhesive layer 4 , is applied to the surface of the measuring membrane 2 formed in the (stainless steel) pressure body 1 . On the measuring element 2 there is an arrangement of interdigital transducers 5 with which, in the manner mentioned in the introduction to the description, the excitation and detection of the surface acoustic waves is carried out.
Zur Kompensation von Querempfindlichkeiten, wie z. B. der Temperatur und der Drift ist neben dem Messelement 3 auf der Membran 2 ein Referenzelement 6 angeordnet. Bei die sem ersten Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 können sowohl das Messelement 3 als auch das Referenzelement 6 mit den Interdigitalwandlern 5 in Form einer Verzöge rungsleitung bzw. eines Oberflächenwellenresonators aus gebildet sein.To compensate for cross-sensitivities such. B. the temperature and drift next to the measuring element 3 on the membrane 2, a reference element 6 is arranged. In the sem first embodiment according to the Fig. 1, both the measuring element 3 and the reference member 6 approximate line with the interdigital transducers 5 in the form of a tarry or of a surface of may be formed.
Weiterhin ist der Fig. 1 zu entnehmen, das eine zugehö rige Auswerteelektronik 7, gegebenenfalls in Form einer Oszillatorschaltung, ebenfalls auf dem Druckkörper 1 an geordnet ist. Die hier erforderlichen elektrischen Ver bindungen 8 sind hochfrequenzführende Signalleitungen und können vorteilhaft sehr kurz ausgeführt werden.Furthermore, the Fig. 1 can be seen, this is a zugehö membered transmitter 7, arranged optionally in the form of an oscillator circuit, also on the pressure body 1 at. The electrical connections 8 required here are high-frequency signal lines and can advantageously be made very short.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 werden das Messelement 3 und das Referenzelement 6 fernabfrage fähig ausgeführt, in dem sie mit Codemarken versehen sind, die zur Unterscheidung unterschiedlich codiert sind. Die elektrischen Verbindungen 8 und die Auswer teelektronik 7 nach der Fig. 1 können hierbei entfallen.In a second exemplary embodiment according to FIG. 2, the measuring element 3 and the reference element 6 are designed capable of remote interrogation by providing them with code marks which are coded differently to distinguish them. The electrical connections 8 and the evaluation electronics 7 according to FIG. 1 can be omitted here.
Beispielsweise ergibt sich hier die Möglichkeit eine Messsignal durch eine Auswertung zeitversetzter Impulse zu erhalten. Hierzu wird von einer Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinheit 10 ein elektromagnetischer Impuls ausgesendet, der von einer Antenne empfangen wird, die mit einem der Interdigitalwandler 5 verbunden ist. Unter Ausnutzung des eingangs beschriebenen piezoelektrischen Effektes am Messelement 3 wird die Pulsenergie im Inter digitalwandler 5 in eine akustische Oberflächenwelle um gewandelt, die sich auf der Sensoroberfläche ausbreitet und an räumlich verteilten, codierten Reflektoren reflek tiert wird.For example, there is the possibility of receiving a measurement signal by evaluating time-shifted pulses. For this purpose, an electromagnetic pulse is emitted by a high-frequency transmitting and receiving unit 10 , which is received by an antenna which is connected to one of the interdigital transducers 5 . Taking advantage of the piezoelectric effect at the measuring element 3 described at the outset, the pulse energy in the inter digital converter 5 is converted into an acoustic surface wave, which propagates on the sensor surface and is reflected on spatially distributed, coded reflectors.
Die reflektierten Signale werden im Interdigitalwandler 5 rückgewandelt und als Pulsfolge an die Sende- und Emp fangseinheit 10 abgestrahlt. Die Laufzeitänderung der Oberflächenwelle in Abhängigkeit der Ausbreitungsbedin gungen, wie z. B. mechanische Spannungen, Temperatur, kann als Meßgröße genutzt werden. Durch Verwendung unter schiedlich codierter Reflektoren ist außerdem eine Unter scheidung mehrerer Sensoranordnungen möglich. Typische Reichweiten dieser Fernabfrage liegen zwischen einigen Zentimetern und mehreren Metern.The reflected signals are converted back in the interdigital transducer 5 and emitted as a pulse train to the transmitting and receiving unit 10 . The transit time change of the surface wave depending on the propagation conditions such. B. mechanical stresses, temperature, can be used as a measured variable. By using differently coded reflectors, a differentiation between several sensor arrangements is also possible. Typical ranges of this remote query are between a few centimeters and several meters.
In Fig. 3 ist ein prinzipielles Ausführungsbeispiel ei nes Schaltungsaufbaus zur Gewinnung des Messsignals mit zwei Oszillatorschaltungen 20 und 21 dargestellt. Die Os zillatorfrequenz f1 der Schaltung 20 für die Messstrecke am Messelement 3 mit den Interdigitalwandlern 5 wird mit der Oszillatorfrequenz f2 der Oszillatorschaltung 21 der Referenzstrecke des Referenzelements 6 in einem Mischer 22 gemischt, wobei die Mischfrequenz Δf am Ausgang eines nachgeschalteten Tiefpasses 23 in guter Näherung ein Maß für das zu messende Signal, hier der auf die Messmembran 2 wirkende Druck, ist.In Fig. 3 a basic embodiment of egg nes circuit structure for obtaining the measurement signal with two oscillator circuits 20 and 21 is shown. The oscillator frequency f 1 of the circuit 20 for the measuring section on the measuring element 3 with the interdigital transducers 5 is mixed with the oscillator frequency f 2 of the oscillator circuit 21 of the reference section of the reference element 6 in a mixer 22 , the mixing frequency Δf at the output of a downstream low-pass filter 23 being good Approximation is a measure of the signal to be measured, here the pressure acting on the measuring membrane 2 .
Claims (10)
mit einer ersten Oszillatorschaltung (20) , die ein Mes selement (3) an einer Messstrecke aufweist, eine erste Oszillatorfrequenz f1 erzeugt wird,
mit einer zweiten Oszillatorschaltung (21), die ein Re ferenzelement (6) an einer Referenzstrecke aufweist, eine zweite Oszillatorfrequenz f2 erzeugt wird und dass
aus der Mischfrequenz Af der beiden Oszillatorfrequen zen f1 und f2 das Messsignal ermittelt wird.10. Measuring method for obtaining a measurement signal using the sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that
with a first oscillator circuit ( 20 ), which has a measuring element ( 3 ) on a measuring section, a first oscillator frequency f 1 is generated,
with a second oscillator circuit ( 21 ), which has a reference element ( 6 ) on a reference path, a second oscillator frequency f 2 is generated and that
the measurement signal is determined from the mixed frequency Af of the two oscillator frequencies f 1 and f 2 .
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