Drucksensor und Verfahren zur Messung eines Drucks Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor. Es handelt sich dabei um einen Drucksensor, der einen Druck, beziehungsweise eine mechanische Spannung, mit Hilfe des piezoelektrischen Effektes misst. Der auf den Drucksensor einwirkende Druck wird dabei in einen elektrischen

Ladungsfluss umgewandelt. Diese Eigenschaft kann dazu

angewandt werden, um Drücke beziehungsweise Druckschwankungen zu vermessen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Drucks. Drucksensoren, die auf piezoelektrischen Materialien, wie zum Beispiel einer Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) Keramik oder Quarz basieren, sind bekannt. Figur 1 zeigt einen solchen

monolithischen piezoelektrischen Drucksensor 101. Dieser weist einen monolithischen Grundkörper 102 auf, der aus einer homogene Schicht eines drucksensitiven Materials besteht. Auf einer oberen Seitenfläche 109 und einer unteren Seitenfläche 110 des Grundkörpers 102 sind je eine Außenelektroden 105, 108 angeordnet, so dass sich die Schicht des drucksensitiven Materials zwischen den Außenelektroden 105, 108 befindet. Die Außenelektroden 105, 108 dienen zum Abgreifen des bei

Druckbelastung entstehenden elektrischen Signals.

Bei diesem Sensor 101 wirkt der zu messende Druck unmittelbar auf die Außenelektroden 105, 108 ein. Damit sind zahlreiche Nachteile verbunden. Die Außenelektroden 105, 108 müssen mit Isolationsschichten bedeckt sein, um das Entstehen von

Leckströmen zu vermeiden. Außerdem müssen auf der oberen und der unteren Seitenflächen 106, 107 ferner elektrische Verbindungen der Außenelektroden 105, 108 vorgesehen sein, sodass die Flächen 106, 107 nicht ganzflächig zur

Druckbelastung genutzt werden können. Die Außenelektroden 105, 108 weisen ein metallisches Material auf, das mit vertretbarem Aufwand nur mit einer unzureichenden Ebenheit fertigbar ist. Die Unebenheiten auf den Flächen 106, 107 können zu Messungenauigkeiten führen. Außerdem weisen die metallischen Außenelektroden 105, 108 unter beständig

auftretenden Druckwechselbelastungen hohe Abnutzungseffekte auf, die die Lebensdauer des Drucksensors 101 verkürzen können .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Drucksensor anzugeben, der es ermöglicht, zumindest einen der oben genannten Nachteile zu überwinden. Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zur Messung eines Drucks anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor gemäß dem

vorliegenden Anspruch 1 gelöst.

Es wird ein Drucksensor vorgeschlagen, der einen Grundkörper aufweist, wobei der Grundkörper ein piezoelektrisches

Material und zumindest zwei in dem piezoelektrischen Material angeordnete Innenelektroden aufweist. Die zumindest zwei

Innenelektroden sind dabei derart in dem piezoelektrischen Material angeordnet, dass zwischen den zumindest zwei

Innenelektroden eine Spannung entsteht, wenn ein Druck auf eine für eine Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche des Grundkörpers einwirkt.

Die Innenelektroden können dabei als „in dem

piezoelektrischen Material angeordnet" bezeichnet werden, wenn sie zwischen zwei Schichten des piezoelektrischen

Materials angeordnet sind. Dementsprechend können eine

Oberseite und eine Unterseite jeder Innenelektrode von dem piezoelektrischen Material bedeckt sein. Eine seitliche

Fläche, die an einer Außenelektrode anliegt, kann jedoch frei von dem piezoelektrischen Material sein.

Bei der für die Druckbeaufschlagung vorgesehenen Seitenfläche des Grundkörpers handelt es sich insbesondere um eine

Seitenfläche des Grundkörpers, die parallel zu den

Innenelektroden angeordnet ist. Der Grundkörper kann auch mehrere für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenflächen aufweisen . Der Drucksensor kann eine beliebige Anzahl an Innenelektroden aufweisen. Insbesondere kann der Drucksensor mehr als zwei Innenelektroden aufweisen. Die Innenelektroden können in erste Innenelektroden, die mit einer ersten Außenelektrode kontaktiert sind, und zweite Innenelektroden, die mit einer zweiten Außenelektrode kontaktiert sind, aufgeteilt werden, wobei die Anzahl der ersten und der zweiten Innenelektroden nicht gleich sein muss.

Der Drucksensor mit in den in dem piezoelektrischen Material angeordneten Innenelektroden ermöglicht es, die oben

beschriebenen Nachteile zu überwinden. Die für die

Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche kann aus dem piezoelektrischen Material bestehen. Das piezoelektrische Material kann unter ständiger Druckwechselbelastung eine deutlich höhere Belastbarkeit aufweisen als ein metallisches Material, so dass die Lebensdauer des Drucksensors erhöht wird. Ferner kann das piezoelektrische Material mit einer großen Ebenheit gefertigt werden, so dass die für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche frei von

Unebenheiten ist und daraus keine Messfehler resultieren können . Ein weiterer Vorteil des Drucksensors besteht in seiner verbesserten Designfreiheit. Das von dem Drucksensor erzeugte Ausgangssignal kann durch eine Variation in der Anzahl der Innenelektroden in gewünschter Weise beeinflusst werden.

Dabei kann insbesondere erreicht werden, dass die Stromstärke dieses Signals oder die Spannung dieses Signals erhöht wird.

Der Drucksensor kann ferner eine erste Außenelektrode und eine zweite Außenelektrode aufweisen. Jede der zumindest zwei Innenelektroden kann mit der ersten Außenelektrode oder der zweiten Außenelektrode verbunden sein. Die erste

Außenelektrode kann auf einer ersten Seitenfläche des

Grundkörpers angeordnet sein. Die zweite Außenelektrode kann auf einer zweiten Seitenfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Weder die erste Seitenfläche noch die zweite

Seitenfläche können für die Druckbeaufschlagung vorgesehen sein. Dementsprechend unterscheiden sie sich von der für die Druckbeaufschlagung vorgesehenen Seitenfläche und sind insbesondere senkrecht zu dieser Seitenfläche angeordnet. Die erste und die zweite Seitenfläche können einander

gegenüberliegen.

Die erste Außenelektrode kann senkrecht zu den zumindest zwei Innenelektroden angeordnet sein. Die zweite Außenelektrode kann senkrecht zu den zumindest zwei Innenelektroden

angeordnet sein.

Da der Druck in Richtung senkrecht zu den Innenelektroden wirkt, übt der Druck eine nur minimale Kraft auf die Außenelektroden aus, die sich ebenfalls in dieser Richtung erstrecken .

Die für eine Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche des Grundkörpers kann parallel zu den zumindest zwei

Innenelektroden angeordnet sein. Dementsprechend übt der Druck vorzugsweise eine maximale Kraft auf diese Seitenfläche aus . Der Drucksensor kann ferner eine mit den zumindest zwei

Innenelektroden verbundene Auswerteeinheit aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, den auf den Grundkörper einwirkenden Druck zu bestimmen. Dabei können die zumindest zwei

Innenelektroden über die Auswerteeinheit miteinander

elektrisch kontaktiert sein, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgestaltet ist, einen zwischen den zumindest zwei

Innenelektroden fließenden Strom zu vermessen und daraus den auf den Grundkörper einwirkenden Druck zu bestimmen.

Alternativ kann die Auswerteeinheit auch ausgestaltet sein, eine zwischen den zumindest zwei Innenelektroden anliegende Spannung zu vermessen und daraus den auf den Grundkörper einwirkenden Druck zu bestimmen.

Je nach Ausgestaltung der Auswerteeinheit kann der

Drucksensor derart ausgestaltet sein, dass die Stromstärke oder die Spannung eines in Folge eines auf den Grundkörper einwirkenden Drucks erzeugten elektrischen Signals besonders hoch ist. Eine hohe Spannung ergibt sich bei einer kleinen Anzahl von Innenelektroden. Eine hohe Stromstärke ergibt sich bei einer großen Anzahl von Innenelektroden.

Der piezoelektrische Grundkörper kann eine Blei-Zirkonat- Titanat-Keramik aufweisen. Alternativ kann der piezoelektrische Grundkörper ein anderes piezoelektrisches Material, beispielsweise einen piezoelektrischen Quarz, aufweisen. Die Innenelektroden können Silber, Silber- Palladium oder Kupfer aufweisen oder aus einem dieser

Materialien bestehen.

Die erste und die zweite Außenelektrode können eine teilweise glashaltige Einbrandmetallisierung aus Silber, Silber- Palladium oder Kupfer aufweisen oder aus dieser bestehen. Die erste und die zweite Außenelektrode können ferner eine

Sputterschicht aus CuAg oder CrNiAg aufweisen.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende

Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Drucks.

Es wird ein Verfahren zur Messung eines Drucks mit einem Drucksensor vorgeschlagen, wobei der Drucksensor einen

Grundkörper aufweist, der ein piezoelektrisches Material, zumindest zwei in dem piezoelektrischen Material angeordnete Innenelektroden, eine erste Außenelektrode und eine zweite Außenelektrode aufweist, wobei jede der zumindest zwei

Innenelektroden mit der ersten Außenelektrode oder der zweiten Außenelektrode verbunden ist, wobei die erste

Außenelektrode auf einer ersten Seitenfläche des Grundkörpers angeordnet ist, wobei die zweite Außenelektrode auf einer zweiten Seitenfläche des Grundkörpers angeordnet ist, und wobei der Grundkörper ferner eine dritte Seitenfläche

aufweist, die frei von der ersten Außenelektrode und der zweiten Außenelektrode ist. Bei dem Verfahren wird der zu messende Druck auf die dritte Seitenfläche ausgeübt wird.

Insbesondere kann der oben beschriebene Drucksensor für das Verfahren gemäß dem hier diskutierten Aspekt verwendet werden. Dementsprechend können sämtliche strukturellen und funktionellen Merkmale, die für den Drucksensor offenbart sind, auch auf das Verfahren zutreffen. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird der zumessende Druck auf eine Seitenfläche des Grundkörpers ausgeübt, die frei von Elektroden ist. Dadurch können verschiedene Vorteile erreicht werden. Die für die Druckbeaufschlagung vorgesehene dritte Seitenfläche kann aus dem piezoelektrischen Material bestehen. Das piezoelektrische Material kann unter ständiger Druckwechselbelastung eine deutlich höhere Belastbarkeit aufweisen als ein metallisches Material, so dass die

Lebensdauer des Drucksensors erhöht wird. Ferner kann das piezoelektrische Material mit einer großen Ebenheit gefertigt werden, so dass die für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche frei von Unebenheiten ist und daraus keine

Messfehler resultieren können.

Ferner kann in Folge des auf die dritte Seitenfläche

ausgeübten Drucks zwischen den zumindest zwei Innenelektroden eine Spannung entstehen, wobei der Drucksensor ferner eine mit den zumindest zwei Innenelektroden verbundene

Auswerteeinheit aufweisen kann. Das Verfahren kann den

Schritt des Bestimmens des auf den Grundkörper einwirkenden Drucks auf Basis einer von der Auswerteeinheit gemessenen Stromstärke oder auf Basis einer von der Auswerteeinheit gemessenen Spannung aufweisen.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von

Figuren genauer beschrieben.

Figur 1 zeigt einen im Stand der Technik bekannten

monolithischen Drucksensor, Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines

Drucksensors ,

Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die

Veränderung der Polarisation eines

piezoelektrischen Materials unter Druckeinwirkung.

Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines

Drucksensors.

Figur 2 zeigt einen Drucksensor 1 gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel. Der Drucksensor 1 weist einen

Grundkörper 2 auf, der ein piezoelektrisches Material 13 aufweist. In dem Grundkörper 2 sind erste Innenelektroden 3 und zweite Innenelektroden 4 angeordnet. Dabei sind die

Innenelektroden 3, 4 jeweils zwischen Schichten des

piezoelektrischen Materials 13 angeordnet. Die ersten Innenelektroden 3 sind mit einer ersten

Außenelektrode 5 elektrisch kontaktiert. Die erste

Außenelektrode 5 ist auf einer ersten Seitenfläche 6 des Grundkörpers 2 angeordnet. Die erste Seitenfläche 6 des Grundkörpers 2 sowie die erste Außenelektrode 5 sind dabei senkrecht zu den Innenelektroden 3, 4. Ferner sind die ersten Innenelektroden 3 gegenüber einer zweiten Außenfläche 7, die der ersten Seitenfläche 6 gegenüberliegt, zurückgesetzt. Auf der zweiten Seitenfläche 7 ist eine zweite Außenelektrode 8 angeordnet. Die ersten Innenelektroden 3 sind nicht

elektrisch mit der zweiten Außenelektrode 8 kontaktiert.

Die zweiten Innenelektroden 4 sind mit der zweiten

Außenelektrode 8 elektrisch kontaktiert. Die zweiten Innenelektroden 4 sind gegenüber der ersten Seitenfläche 6 zurückgesetzt und sind dementsprechend nicht mit der ersten Außenelektrode 5 elektrisch verbunden. In einer Stapelrichtung S, die senkrecht zu den

Innenelektroden 3, 4 ist, wechseln sich erste Innenelektroden 3 und zweite Innenelektroden 4 ab, wobei jeweils zwischen zwei Innenelektroden 3, 4 eine Schicht bestehend aus dem piezoelektrischen Material 13 angeordnet ist.

Der Grundkörper 2 weist ferner zumindest eine Seitenfläche 9, 10 auf, die für eine Druckbeaufschlagung vorgesehen ist. Die Richtung, aus der der Druck auf den Grundkörper 2 einwirkt, ist in Figur 1 durch zwei entsprechende Pfeile markiert. Die für die Druckbeaufschlagung vorgesehenen Seitenfläche 9, 10 erstreckt sich parallel zu den Innenelektroden 3, 4. Bei dem in Figur 1 gezeigten Drucksensor 1 ist eine obere

Seitenfläche 9 und eine untere Seitenfläche 10 für die

Druckbeaufschlagung vorgesehen.

Wirkt nunmehr ein Druck auf die für die Druckbeaufschlagung vorgesehenen Seitenflächen 9, 10, so wirkt dieser Druck auf das piezoelektrische Material 13 des Grundkörpers 2. Aufgrund des Piezoeffekts wird dadurch unter Einwirkung des Druckes die Polarisation des piezoelektrischen Materials 13

verändert. Damit verbunden ist eine Ansammlung von

elektrischer Ladung, die in dem piezoelektrischen Material 13 entsteht und über die Innenelektroden 3, 4 abgeführt werden kann. Je größer der auf den Drucksensor 1 einwirkende Druck, desto mehr Ladung wird im Grundkörper 2 erzeugt und über die Innenelektroden 3, 4 zu den jeweiligen Außenelektroden 5, 8 abgeführt . Der Zusammenhang zwischen dem in dem Grundkörper 2 erzeugten elektrischen Feld und dem auf den Grundkörper 2 ausgeübten Druck wird durch die beiden Gleichungen (1) und (2)

beschrieben : s = d ₃₃ E + S33 (1)

D = ε ₃₃ εο E + d ₃₃ (2)

Dabei gibt s die mechanische Dehnung des Grundkörpers 2 an, D gibt die Verschiebungsdichte an, E gibt die elektrische

Feldstärke des infolge des piezoelektrischen Effektes

entstehenden elektrischen Feldes an, T gibt die auf dem

Grundkörper einwirkende mechanische Spannung an, d gibt die Piezokonstante des piezoelektrischen Materials 13 des

Grundkörpers 2 an, ε ₃₃ und So geben die

Dielektrizitätskonstanten an und s ₃₃ gibt die Nachgiebigkeit an. Es wird in den Gleichungen (1) und (2) ferner angenommen, dass die Druckachse, die Polarisationsachse und die

Detektionsachse jeweils übereinstimmen und in Stapelrichtung S liegen, die hier auch als 33-Richtung bezeichnet wird.

Wird nunmehr das erzeugte elektrische Feld vermessen, kann daraus der auf den Grundkörper 2 einwirkende Druck berechnet werden. Um dieses Feld zu vermessen, kann entweder eine an den Außenelektroden 5, 8 anliegende Spannung oder eine

Stromstärke eines Stroms, der beim Kurzschließen der

Außenelektroden 5, 8 fließt, vermessen werden.

In Figur 3 ist angedeutet, dass sich die

Polarisationsrichtung 12 des piezoelektrischen Materials 13 unter Einwirkung eines Druckes ändert. Ausschnitt i zeigt die Polarisation ohne Einwirkung eines Druckes und Ausschnitt ii zeigt die Polarisation mit einwirkendem Druck. Figur 4 zeigt einen möglichen Aufbau zur Druckmessung mit Hilfe des Drucksensors 1, wobei hier ein Drucksensor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Der

Drucksensor 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel

unterscheidet sich von dem Drucksensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in der Anzahl der ersten und zweiten Innenelektroden 3, 4.

Ferner ist der Drucksensor 1 mit einer elektronischen

Auswerteeinheit 11 verbunden. Gemäß dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die erste Außenelektrode 5 und die zweite Außenelektrode 8 über die elektronische

Auswerteeinheit 11 miteinander elektrisch kontaktiert.

Dementsprechend fließt bei Einwirkung eines Druckes auf den Grundkörper 2 ein Strom von der ersten Außenelektrode 5 über die Auswerteeinheit 11 zur zweiten Außenelektrode 8. Die Auswerteeinheit 11 ist dazu ausgestaltet, die Stromstärke dieses Stroms zu vermessen. Aus dieser Messgröße kann der auf den Grundkörper 2 einwirkende Druck errechnet werden.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die erste Außenelektrode 5 und die zweite Außenelektrode 8 nicht über die elektronische Auswerteeinheit 11 miteinander

kurzgeschlossen. In diesem Fall kann die Auswerteeinheit 11 eine zwischen den beiden Außenelektroden 5, 8 anliegende Spannung bestimmen und aus dieser Messgröße den auf den

Grundkörper 2 einwirkenden Druck berechnen. Die hier beschriebenen Drucksensoren 1 mit in dem Grundkörper 2 angeordneten Innenelektroden 3, 4 weisen gegenüber dem in Figur 1 gezeigten monolithischen Drucksensoren 101 erhebliche Vorteile auf. Insbesondere sind die Drucksensoren 1 derart ausgestaltet, dass die Druckbelastung nicht auf die

Seitenfläche 6, 7 einwirkt, auf der sich die Außenelektroden 5, 8 befinden. Die für die Druckbeaufschlagung vorgesehen Seitenflächen 9, 10 bestehen aus einem elektrisch

isolierenden piezoelektrischen Material 13. Daher ist keine zusätzliche Isolierschicht erforderlich, um Leckströme zu vermeiden. Ferner findet keine elektrische Kontaktierung auf den druckbeaufschlagten Flächen statt, sodass diese

vollflächig von dem Druck belastet werden können. Würden dagegen Außenelektroden auf den zu beaufschlagenden

Seitenflächen vorgesehen sein, so müsste ein Teil der Fläche zur elektrischen Kontaktierung der Außenelektroden genutzt werden .

Da die zur Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche aus einem piezoelektrischen Material 13 besteht, kann sie mit einer hohen Ebenheit gefertigt werden, woraus sich

insbesondere eine hohe Messgenauigkeit ergeben kann. Flächen aus einem piezoelektrischen Material 13 können mit weniger Aufwand in einer größeren Ebenheit gefertigt werden als dies für metallische Flächen möglich wäre. Ferner erweisen die piezoelektrischen Materialien 13 sich als sehr beständig gegenüber Druckwechselbelastungen, sodass eine aus einem piezoelektrischen Material 13 bestehende Seitenfläche die Lebensdauer des Drucksensors 1 erhöhen kann.

Ein weiterer Vorteil des hier beschriebenen Drucksensors besteht in seiner hohen Designfreiheit. Dadurch, dass die Anzahl der Innenelektroden in gewünschter Weise verändert werden kann, können die über die Innenelektroden abgeführte Ausgangsladung beziehungsweise die zwischen den

Innenelektroden anliegende Spannung in gewünschter Weise eingestellt werden. Der Zusammenhang zwischen diesen Größen wird durch die Formeln (3) bis (5) beschrieben.

Q _n = n-Qo (3)

U _n = U ₀ /n (4)

E _n = ( Qn - U _n )/2 = (Q ₀ -U ₀ )/2 = E ₀ (5) n gibt dabei die Anzahl der piezoelektrischen Schichten an. Q _n gibt den Ladungsoutput des Drucksensors 1 mit n

piezoelektrischen Schichten an. Qo gibt den Ladungsoutput eines monolithischen Drucksensors 101 ohne integrierte

Innenelektroden und mit gleichem Volumen an. U _n gibt die zwischen den Außenelektroden 5, 8 anliegende LeerlaufSpannung des Drucksensors 1 mit n piezoelektrischen Schichten an, wenn die Außenelektroden 5, 8 nicht miteinander kurzgeschlossen werden. Uo gibt die LeerlaufSpannung zwischen den

Außenelektroden 105, 108 des entsprechenden monolithischen Sensors 101 an. E _n gibt die Ausgangsenergie des Drucksensors 1 mit n piezoelektrischen Schichten an, die proportional zu dem Produkt aus LeerlaufSpannung und Ladungsoutput ist. Eo gibt die Ausgangsenergie des monolithischen Sensors 101 an.

Die Formeln (3) bis (5) zeigen, dass die Ausgangsenergie E _n unabhängig von der Anzahl der Innenelektroden 3, 4 ist. Die Ausgangsspannung Q _n ist dagegen umgekehrt proportional zur

Anzahl der Innenelektroden 3, 4. Der Ladungsoutput Q _n , der im Wesentlichen die Stromstärke eines elektrischen Signals bei Verbindung der beiden Außenelektroden 5, 8 bestimmt, ist direkt proportional zur Anzahl der Innenelektroden. Für eine Auswerteeinheit 11, bei der Messungen auf Basis der

Stromstärke des Ausgangsstroms vorgenommen werden sollen, ist daher ein Drucksensor 1 mit vielen Innenelektroden 3, 4 vorteilhaft, da hier eine größere Ausgangsstromstärke erreicht wird, wodurch die Sensitivität des Sensors 1 erhöht werden kann. Für einen Sensor 1, bei dem die Auswerteeinheit 11 auf Basis der Ausgangsspannung misst, ist dagegen ein Sensor 1 mit einer geringen Anzahl von Innenelektroden 3, 4 vorteilhaft, da auf diese Weise eine maximale Sensitivität erreicht werden kann.

Bezugs zeichenliste

1 Drucksensor

2 Grundkörper

3 erste Innenelektrode

4 zweite Innenelektrode

5 erste Außenelektrode

6 erste Seitenfläche

7 zweite Außenfläche

8 zweite Außenelektrode

9 obere für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche

10 untere für die Druckbeaufschlagung vorgesehene Seitenfläche

11 Auswerteeinheit

12 Polarisationsrichtung

13 piezoelektrisches Material

101 monolitischer Drucksensor

102 Grundkörper

105 Außenelektrode

108 Außenelektrode

109 obere Seitenfläche

110 untere Seitenfläche

S Stapelrichtung