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Dokumentenidentifikation DE102004018507A1 03.11.2005
Titel Piezo-elektrisches Element
Anmelder Endress + Hauser GmbH + Co. KG, 79689 Maulburg, DE
Erfinder Lopatin, Sergej, Dr., 79540 Lörrach, DE
Vertreter Andres, A., Pat.-Anw., 79576 Weil am Rhein
DE-Anmeldedatum 14.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004018507
Offenlegungstag 03.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.11.2005
IPC-Hauptklasse H01L 41/08
IPC-Nebenklasse H01L 41/22   H01L 41/09   H01L 41/113   B06B 1/06   G01F 23/296   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein piezo-elektrisches Element (1) zur Erzeugung und/oder zum Emmpfangen von mechanischen Schwingungen, wobei das piezo-elektrische Element (1) Segmente (2) mit unterschiedlichem Polarisationsvorzeichen aufweist und wobei die Segmente (2) mit Elektroden (3) verbunden sind. Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens zwischen den Elektroden (3) mit unterschiedlichem elektrischen Vorzeichen auf dem piezo-elektrischen Element (1) eine Schicht (4) befindlich ist, die als Spannungsbegrenzung wirkt. Weiterhin gibt die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine solches piezo-elektrisches Element (1).

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezo-elektrisches Element zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von mechanischen Schwingungen, wobei das piezo-elektrische Element Segmente mit unterschiedlichem Polarisationsvorzeichen aufweist, und wobei die Segmente mit Elektroden verbunden sind.

Werden an einem polarisierten piezo-elektrischen Element Elektroden aufgebracht, so lässt sich eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Schwingung umwandeln und eine mechanische Schwingung kann in eine elektrische Wechselspannung übertragen werden. Dieser Effekt wird beispielsweise bei den Füllstandsmessgeräten verwendet, die von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Liquiphant" hergestellt und vertrieben werden. Bei diesen wird eine Schwinggabel mit einem piezo-elektrischen Element über eine Membran zu Schwingungen angeregt. Die Frequenz der Schwingungen ist abhängig davon, ob das Medium, dessen Füllstand bestimmt oder überwacht werden soll, die Gabel bedeckt oder ob die Gabel frei schwingt. Da über das piezo-elektrische Element die Schwingungen der Gabel detektiert werden, kann somit aufgrund der Schwingungen der Füllstand überwacht werden.

Sind piezo-elektrische Elemente großen thermischen Sprüngen (z.B. Temperaturschock) ausgesetzt, so können sehr große elektrische Spannung – mitunter im kV-Bereich – entstehen. Daher ist es bei der Anwendung in Explosionsgefährdeten Bereichen wichtig, dass spannungsbegrenzende Bauteile vorhanden sind. So sind z.B. Zener-Dioden mit den Elektroden auf den piezo-elektrischen Elementen verbunden, um die Spannung zu begrenzen.

Ein Risiko besteht darin, dass es durch starke mechanische Belastungen zu Rissen in den piezo-elektrischen Elementen kommen kann. Es kann sogar dazu kommen, dass ein piezo-elektrisches Element in mehrere Teile auseinander bricht. Einzelne, polarisierte Bruchstücke können jedoch immer noch sehr hohe Spannungen erzeugen. Gemäß dem Stand der Technik sind daher die Elektroden, die die Spannung abgreifen, an mehreren Punkten mit entsprechenden Spannungsbegrenzenden Bauteilen verbunden. Dies ist jedoch aufwendig und setzt voraus, dass keine Bruchstücke auftreten, die nicht über entsprechende Bauteile geschützt sind.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein piezo-elektrisches Element zu geben, welches eine erhöhte Sicherheit besonders bei der Anwendung in Explosionsgefährdeten Bereichen bietet. Weiterhin wird noch ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren eines solchen piezo-elektrischen Elements gegeben.

Die Aufgabe löst die Erfindung bezüglich des piezo-elektrischen Elements dadurch, dass mindestens zwischen den Elektroden mit unterschiedlichem elektrischen Vorzeichen auf dem piezo-elektrischen Element eine Schicht befindlich ist, die als Spannungsbegrenzung wirkt. Wird also im Stand der Technik durch Bauteile, die mit den Elektroden verbunden sind, eine Spannungsbegrenzung erzielt, so ist in der Erfindung direkt eine Schicht auf dem piezo-elektrischen Element vorgesehen, die spannungsbegrenzend wirkt. Vorzugsweise wird diese Schicht auf der Oberfläche des piezo-elektrischen Elements aufgebracht, da auch die Elektroden an der Oberfläche des Elements angebracht sind. Eine solche Schicht hat vor allem den Vorteil, dass sie auch dann noch schützend wirkt, wenn das piezo-elektrische Element auseinander bricht, da sie direkt mit dem piezo-elektrischen Element verbunden ist. Der Schutz durch die angeschlossene Elektronik bzw. durch die angeschlossenen Bauteile wird also ergänzt oder ggf. auch ersetzt durch die schützende Schicht direkt am piezo-elektrischen Element. Die Herstellung eines solchen piezo-elektrischen Elements ist somit: Aufbringen der Elektroden, Erzeugen der Polarisation (in der Keramik), und schließlich Aufbringen der Schicht z.B. im Dünnfilmverfahren.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der elektrische Widerstand der Schicht möglichst gering ist. Der konkrete Widerstandswert und dessen Minimierung ist dabei u.a. abhängig von der Ausgestaltung des piezoelektrischen Elements selbst (z.B. dessen Kapazität), vom Frequenzbereich der Schwingungen oder auch von der Ausgestaltung der Elektronik, mit welcher das piezo-elektrische Element verbunden ist.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der elektrische Widerstand der Schicht abhängig von einer anliegenden Spannung ist. Die Idee dieser Ausgestaltung ist also, dass mindestens der Bereich zwischen den Elektroden, die unterschiedliches elektrisches Vorzeichen tragen, mit einer Schicht versehen ist, deren elektrischer Widerstand von der anliegenden Spannung abhängt. Bildet sich also eine zu hohe Spannung, die zu einer Explosion führen könnte, so ändert sich der Widerstand und die Schicht schaltet die Segmente vorzugsweise kurz. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Spannungsbegrenzende Funktion der Schicht erst dann ausgeübt wird, wenn sie aufgrund einer zu großen Spannung benötigt wird.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich der elektrische Widerstand der Schicht umgekehrt proportional zur anliegenden Spannung verhält. Somit wird also mit zunehmender Spannung der Widerstandswert der Schicht kleiner und somit werden dann die Elektroden kurzgeschlossen.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Schicht eine Varistor-Schicht ist. Varistoren – meist Metalloxide – weisen das oben erwähnte Spannungs-Widerstandsverhalten auf.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das piezo-elektrische Element Bestandteil einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter ist. Dabei handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, der aufgrund der Schwingungen einer mechanisch schwingfähigen Einheit – Schwinggabel (siehe hierzu die in der Einleitung erwähnten „Liquiphanten" der Anmelderin) oder sog. Einstab – bestimmt wird, oder auf Ultraschallwandler. Es lässt sich jedoch z.B. auch die Viskosität des Mediums bestimmen. In dem Fall, dass das erfindungsgemäße piezo-elektrische Element Bestandteil einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße ist, ist das Element üblicherweise mit einer Regel-/Auswerteeinheit verbunden, die die Signale des Elements empfängt und daraus die Prozessgröße bestimmt bzw. die das Element zu entsprechenden Schwingungen anregt. Somit ist also üblicherweise das Element Teil einer Rückkoppeleinheit eines Messgerätes. Je nach Ausgestaltung der dem Element nachgeschalteten Einheiten, d.h. je nach Art und Ausgestaltung der Elektronik, mit welcher das Element verbunden ist, ist auch die Schicht entsprechend auszugestalten. So ist auch entscheiden, wie die Kopplung zwischen dem piezo-elektrischen Element und der Elektronik realisiert. Unterscheiden lassen sich zumindest zwei Ausgestaltungen: Zum einen ist dies die Ladungskopplung. Die ganze elektrische Ladung des piezo-elektrischen Elements fließt durch die Eingangsstufe der Elektronik. In diesem Fall hat ein Widerstand parallel zur piezo-elektrischen Element, der sich durch die Schicht ergibt, in einem gewissen Rahmen wenig Auswirkungen auf die Messempfindlichkeit der Messvorrichtung. Daher sollte der elektrische Widerstand der Schicht nach bestimmten Überlegungen optimiert werden: Funktion des Gerätes; Temperaturbereich, in dem das Gerät zur Anwendung kommen kann; die einzelnen Toleranzen der Bestandteile des Gerätes; der benutzte Frequenzbereich der Schwingungen und die Kapazität des piezo-elektrischen Elements. Zum anderen gibt es die Spannungskopplung. In dieser Ausgestaltung folgt die Eingangstufe der Elektronik der Spannung der Elektroden des piezo-elektrischen Elements. Die Eingangsstufe weist dabei stets eine ausreichend hohe Eingangsimpedanz auf. Der minimale Widerstand R0 der Schicht des erfindungsgemäßen piezo-elektrischen Elements berechnet sich somit zu: R0 = 1 / (2·&pgr;·f·C), wobei f die minimale Arbeitsfrequenz der Messvorrichtung und C die Kapazität des piezoelektrischen Elements ist. Ist der elektrische Widerstand der Schicht viel größer als R0, so werden die Elektronik und das piezo-elektrische Element richtig miteinander elektrisch gekoppelt.

Die Erfindung löst die Aufgabe weiterhin durch ein Herstellungsverfahren eines piezo-elektrisches Element zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von mechanischen Schwingungen. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte, dass Elektroden auf einem piezo-elektrischen Element aufgebracht werden, dass das piezo-elektrische Element polarisiert wird, und dass eine Schicht, die als Spannungsbegrenzung wirkt, auf dem piezo-elektrischen Element derartig aufgebracht wird, dass sich die Schicht zumindest zwischen den Elektroden mit unterschiedlichem elektrischen Vorzeichen befindet. Für das Aufbringen der Elektroden wird das piezo-elektrische Element üblicherweise mit einem entsprechenden Elektroden-Material beschichtet. Durch diese Schicht werden dann zu große Spannungen zwischen den Elektroden verhindert. Für weitere Ausgestaltungen des Verfahrens siehe die obige Beschreibung des erfindungsgemäßen piezo-elektrischen Elements.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Schicht im Dünnfilmverfahren aufgebracht wird.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

1: ein piezo-elektrisches Element gemäß dem Stand der Technik,

2: ein erfindungsgemäßes piezo-elektrisches Element,

3: das erfindungsgemäße piezo-elektrische Element der 2 bei einem Bruch des Elements, und

4: eine Anwendung des erfindungsgemäßen piezo-elektrischen Elements in einem Füllstandsmessgerät.

1 zeigt ein piezo-elektrisches Element 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Segmente 2 des Elements 1 weisen positives (+) und negatives (-) Vorzeichen der Polarisation auf. An diesen Segmenten 2 sind Elektroden 3 aufgetragen. Wird auf diese Elektroden 3 eine elektrische Wechselspannung gegeben, so führt das piezo-elektrische Element 1 eine mechanische Schwingung aus. Umgekehrt kann aus einer mechanischen Schwingung eine elektrische Wechselspannung erzeugt werden. Dies wird beispielsweise bei Füllstandsmessgeräten 10 angewendet (siehe 4), welche von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Liquiphant" hergestellt und vertrieben werden. Des weiteren werden solche piezo-elektrischen Elemente 1 auch zur Erzeugung von Ultraschallwellen verwendet. Zum Schutz vor zu hohen Spannungen, die vom piezo-elektrischen Element 1 durch den pyroelektrischen Effekt oder durch einen Schlag oder einen Stoß erzeugt werden können, sind hier zwei Zener-Dioden 5 vorgesehen. Es ist jedoch offensichtlich, dass diese Dioden 5 bei einem Bruch des piezo-elektrischen Elements 1 (siehe hierzu als Beispiel 3) unzureichend sind, da nur die Bruchstücke geschützt sind, welche mit den Dioden 5 verbunden sind.

Daher zeigt 2 das erfindungsgemäße piezo-elektrische Element 1. Hier befinden sich zwischen den Segmenten 2 und den Elektroden 3 jeweils Schichten 4, die z.B. aus einem Varistor bestehen oder die sonstige Dünnfilmschichten sind, deren elektrischer Widerstand von der anliegenden Spannung abhängt. In der 3 ist dieses piezo-elektrische Element 1 im gebrochenen Zustand dargestellt. Wie zu sehen, könnte eine Diode 5 nur einen Schutz für den Bereich darstellen, der mit der Diode 5 über die Elektroden verbunden ist. Das Bruchstück, das hier links dargestellt ist, wäre nicht geschützt und somit könnte es bei einem piezo-elektrischen Element 1 gemäß dem Stand der Technik zu einer zu hohen Spannung und dadurch ggf. auch zu einer Explosion kommen, wenn das piezo-elektrische Element 1 in einem Explosionsgefährdeten Bereich zur Anwendung kommt. Beim erfindungsgemäßen piezo-elektrischen Element 1 jedoch, führt eine Spannung dazu, dass sich der Widerstand der Schicht 4 vermindert und dass somit die beiden Elektroden 3 mit unterschiedlichem Vorzeichen kurzgeschlossen werden. Somit kann direkt am piezo-elektrischen Element 1 eine zu hohe Spannung bzw. eine Explosion verhindert werden. Die Eigenschaften der Bauteile, die im Stand der Technik als Spannungsbegrenzung wirken, werden also in die Schicht 4 übertragen, die direkt mit dem piezo-elektrischen Element 1 verbunden ist. Oder mit anderen Worten: Die schützenden Bauteile werden unmittelbar am piezo-elektrischen Element 1 selbst auf- oder angebracht.

In der 4 ist eine Anwendung eines erfindungsgemäßen piezo-elektrischen Elements 1 in einer Vorrichtung 10 – hier ein Füllstandsmessgerät – dargestellt. Hierbei wird eine mechanisch schwingfähige Einheit 11 – z.B. eine Schwinggabel oder ein sog. Einstab -, die an einer Membran 12 befestigt ist, von der piezo-elektrischen Einheit 1 zu Schwingungen angeregt bzw. die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 11 werden vom piezoelektrischen Element 1 detektiert. Die Regelung und Auswertung der Schwingungen wird von der Elektronikeinheit 13 geleistet. Aufgrund der Schwingungen lässt sich dann beispielsweise der Füllstand des Mediums 15 im Behälter 16 bestimmen.

1Piezo-elektrisches Element 2Segment 3Elektrode 4Schicht 5Zener-Diode 10Vorrichtung 11Mechanisch-schwingfähige Einheit 12Membran 13Elektronikeinheit 15Medium 16Behälter

Anspruch[de]
  1. Piezo-elektrisches Element (1) zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von mechanischen Schwingungen,

    wobei das piezo-elektrische Element (1) Segmente (2) mit unterschiedlichem Polarisationsvorzeichen aufweist, und

    wobei die Segmente (2) mit Elektroden (3) verbunden sind,

    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwischen den Elektroden (3) mit unterschiedlichem elektrischen Vorzeichen auf dem piezo-elektrischen Element (1) eine Schicht (4) befindlich ist, die als Spannungsbegrenzung wirkt.
  2. Piezo-elektrisches Element (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der Schicht (4) möglichst gering ist.
  3. Piezo-elektrisches Element (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der Schicht (4) abhängig von einer anliegenden Spannung ist.
  4. Piezo-elektrisches Element (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der elektrische Widerstand der Schicht (4) umgekehrt proportional zur anliegenden Spannung verhält.
  5. Piezo-elektrisches Element (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (4) eine Varistor-Schicht ist.
  6. Piezo-elektrisches Element (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezo-elektrische Element (1) Bestandteil einer Vorrichtung (10) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums (15) in einem Behälter (16) ist.
  7. Herstellungsverfahren eines piezo-elektrisches Element (1) zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von mechanischen Schwingungen, dadurch gekennzeichnet,

    dass Elektroden (3) auf einem piezo-elektrischen Element (1) aufgebracht werden,

    dass das piezo-elektrische Element (1) polarisiert wird, und

    dass eine Schicht (4), die als Spannungsbegrenzung wirkt, auf dem piezoelektrischen Element (1) derartig aufgebracht wird, dass sich die Schicht (4) zumindest zwischen den Elektroden (1) mit unterschiedlichem elektrischen Vorzeichen befindet.
  8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (4) im Dünnfilmverfahren aufgebracht wird.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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