[发明专利]用于剪切模式加速计的压电传感器元件

说明书

技术领域

一方面，本发明涉及一种用于剪切模式传感器设备的压电剪切模式传感器元件，传感器元件包括由具有固有极化轴的压电材料制成的传感器块，其中，压电材料还是热电物质，其中，传感器块在轴向方向上具有第一端和第二端，并且其中，传感器块在与轴向方向垂直的横向方向上具有横向侧面，传感器元件进一步包括被适配成用于捕获剪切模式传感器信号的传感器电极，其中，传感器电极包括布置在传感器块的第一端上的第一传感器电极和布置在传感器块的第二端上的第二传感器电极。又一方面，本发明涉及一种生产供剪切模式传感器设备使用的压电传感器元件的方法。就本发明的一个具体方面而言，传感器设备是加速计设备。

背景技术

在从端用户设备至监控重工业装备范围内的各种各样应用中，加速计设备用于测量动态力学量。加速计设备的通常设计使用由压电材料制成的一个或多个传感器元件，传感器电极附接至该压电材料的相对面。压电材料的第一面与夹持到基部的第一端相关联，并且另一面与通常设置有测震质量(seismic mass，质量块)的第二端相关联。测震质量相对于基部的位移导致压电材料的变形，从而产生压电响应。传感器电极用于捕获压电响应作为电传感器信号。

加速计设备确定材料对动态机械负荷(即，作用于传感器元件上的随着时间而变化的机械负荷)情况下的变形的压电响应。动态机械负荷的实施例是振动模式。当测量给定机械本体的振动时，基部通常附接至被测量的本体。本体的振动经由基部转移至压电材料的夹持第一端。由于测震质量的惯性，压电材料的第二端并不或至少不立即追随第一端的移动，由此导致动态变形，从而引起动态压电响应，该动态压电响应可由适当放置的电极捕获为传感器信号。

然后，通常，将由传感器电极捕获的传感器信号传递至提供代表传感器信号的输出的读出电子装置。例如，读出电子装置可实现诸如放大、过滤、数字化、模拟信号处理、和/或数字信号处理的一种或多种处理功能。输出可被提供、显示、记录、传递至监控系统、触发事件/警报、和/或用于随后计算或进一步的信号处理。

在取决于针对测量压电响应而采用的机械变形类型的配置中，相对于固有极化轴布置传感器电极。例如，在压缩模式配置中，采用压电材料的压缩变形并且将携带相应传感器电极的第一端面和第二端面布置成使得至少每个传感器电极的表面法线的主分量与固有极化轴基本平行。在剪切模式配置中，采用压电材料的剪切变形。在剪切模式配置中，携带相应传感器电极的第一端面和第二端面被布置成与固有极化轴基本平行。即，在剪切模式配置中，每个传感器电极的表面法线与固有极化轴基本垂直。因此，通过传感器电极捕获对于在与压电材料的固有极化轴平行的方向上的剪切变形的压电响应。

出于对加速计应用的商业利益的许多压电材料还展示了压电性质，其中，当经历温度变化时，由于材料中的电荷分离而积累电荷。在与固有极化轴平行的方向上，通过压电效应的驱动而发生电荷分离。诸如，在压缩模式配置中，当在与固有极化轴平行的方向上测量时，在温度变化过程中，压电电荷分离，由此产生将被叠加至压电信号中的伪像(artefact)。因此，通常认识到，通过剪切模式配置克服了因热电电荷分离而产生的这种伪像，因为在剪切模式配置中，在与固有极化轴垂直的方向上捕获传感器信号，该方向上理论上可忽略传感器信号的热电影响。

JP H07-244069中公开了该剪切模式加速计设备。强调了传感器电极相对于压电材料的极化轴的具体布置导致了改进的加速计信号，其不受热电效应的影响。

GB 2224598中公开了另一剪切模式加速计设备。该文件解决了传感器电极相对于压电材料的极化轴的精确对准问题并且提供了一种对未对准较不敏感的设备配置。

然而，尽管剪切模式配置避免捕获到由于传感器电极方位而叠加的伪像，然而，本发明的一个优点在于认识到，实际上，压电效应仍以相当显著的方式影响测量的信号。这是由于这样一种事实，即，当这种剪切模式传感器元件经历明显的温度变化并且在具有与极化轴平行的分量的表面法线的压电传感器元件的边缘(刻面/正面/侧面)上产生积累电荷时，仍发生热电电荷分离。本发明的进一步优点在于认识到，由于沿着传感器元件的横向边缘的电流脉冲和随机漏电流，所以该积累电荷导致传感器信号中自发的放电噪声。当温度变化速率明显时，诸如，在具有大且快速的温度变化的高温应用中，这种问题尤其显著。例如，高温应用可包括在约200℃以上执行的测量，其中，例如，相对于观察包括电流脉冲和随机漏电流的放电噪声，约1℃/min的温度变化速率被观察为是显著的。随着温度变化速率随着时间的增加，放电噪声也增加。