DE2505461A1

DE2505461A1 - Messgroessenumformer

Info

Publication number: DE2505461A1
Application number: DE19752505461
Authority: DE
Inventors: Anthony John Demaria; Thomas Macklin Reeder
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1974-02-25
Filing date: 1975-02-10
Publication date: 1975-08-28
Also published as: CA1029122A; DE2505461C2; IT1031931B; FR2262288B1; AU7735175A; FR2262288A1; SE7501968L; US3978731A; JPS50120673A; GB1486377A; JPS626174B2; SE417870B

Description

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Anwaltsakte: U 238

United Aircraft Corporation Hartford, Conn. 06 108, V.St.A,

Messgrossenumformer

Die Erfindung bezieht sich auf Messumformer (Transducer), bei welchen Oberflächenschallwellen als ein Mittel verwendet werden, um Druck, Beschleunigung, Temperatur, mechanische Spannung oder Beanspruchung in digitaler Weise zu erfassen, und insbesondere betrifft die Erfindung einen Messgrossenumformer, bei welchem Oberflächenschallwellen dazu benutzt werden, die Verformung des Oberflächenwegs einer flexiblen Membran festzustellen, die einer äusseren Belastung oder Kraft ausgesetzt ist.

Druckmessumformer zum Umwandeln von Druck in elektronische Signale, welche mit Test-, Anzeige- und Steuersystemen

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kompatibel sind, sind bekannt. Viele derartige Druckmessumformer enthalten Bestandteile, wie etwa Magnete, Spulen, Schaltkreise, mechanische Schwingungselemente und Resonanz— kristalle. Zum Erzeugen von digitalen AusgangsSignalen ^ mit den bekannten Druckmessumformern sind auch Verfahren, wie beispielsweise Impuls-Drehmomentsignalgabe und Analog-Digital-Umwandlung, bekannt.

Da beispielsweise Turbinentriebwerke und deren Steuerungen an Komplexität zunehmen und zunehmend ungünstigeren Umgebungen ausgesetzt sind, besteht Bedarf an einem einfachen, nicht teueren,robusten Druckmeßumformer, der mit den technologischen Fortschritten im Stand der Technik kompatibel ist. Die Verfügbarkeit von kleinen, robusten, zuverlässigen und verhältnismässig billigen Digitalcomputern hat dazu geführt, dass solche Computer in fortschrittlichen Turbinentriebwerkssteuerungen eine feste Verwendung gefunden haben. Bekannte Druckmessumformer haben mit der Technologie der Turbinentriebwerke und deren Regelung nicht Schritt gehalten und leiden unter Nachteilen, wie beispielsweise Kosten, Grosse, Leistungsaufnahme, Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit gegen Stösse, Schwingungen, elektromechanische Störung und Temperaturschwingungen. Viele bekannte Messumformer haben analoge Ausgangssignale, die mit neuzeitlichen Digitalsystemen nicht direkt kompatibel sind und zusätzliche elektronische Umwandlungseinrichtungen erfordern.

Die Erfindung verwendet die neueren Fortschritte in der Mikroelektronik und benutzt Oberflächenschallwellen als ein Mittel zum Erfassen von Gas- oder Flüssigkeitsdruck in einer Weise, die mit Digitalsystemen kompatibel ist. Die Verwendung von Oberflächenschallwellen führt zu einem Druckmessumformer, der klein, robust, billig in der Herstellung, empfindlich und zuverlässig ist, und zwar infolge seiner

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Herstellungsverfahren ih integrierter Elektronik, und der einen niedrigen Leistungsbedarf hat. Der Messumformer kann ausserdem zum Abfühlen der Beschleunigung, der Temperatur und der mechanischen Spannung oder Beanspruchung verwendet werden.

Bei der Erfindung werden Oberflächenschallwellenerscheinungen zum Erzeugen einer Frequenz verwendet, die eine Funktion des ausgeübten äusseren Druckes oder der ausgeübten äusseren Kraft ist. Da ein Frequenzausgangssignal unter Verwendung von Standardfrequenzzählschaltungen leicht in verschiedene Digitalcodegruppen umgewandelt werden kann, ist die Erfindung in digitalen Systemen anwendbar. Die Erfindung macht von einer einfachen Konfiguration Gebrauch, welche eine dünne, biegsame Membran und mikroelektronische elektroakustische Messumformer umfasst, die auf gegenüberliegenden Rändern der Membran hergestellt werden. Als ein Ergebnis des ausgeübten äusseren Druckes oder der ausgeübten äusseren Kraft wird die Membran verformt, was zur Folge hat, dass die Membranspannung und-weglänge geändert werden und ihrerseits bewirken, dass die Schallwellenausbreitungszeit zwischen den Messumformern verändert wird. Wenn die Messumformer und der Membranoberflächenwellenweg in einer Rückkopplungsschaltung verbunden sind, die einen Verstärker enthält, kann die Schaltung mit einer Frequenz schwingen, die sich im Verhältnis zur Membranverformung und damit zu dem ausgeübten äusseren Druck oder der ausgeübten äusseren Kraft verändert. Obgleich im allgemeinen die Schaltung in einer Anzahl von Schwingungstypen (Moden) schwingen könnte, welche Vielfache der Grundfrequenz sind, die durch die Schalläufzeit über die Membran festgelegt ist, können die mikroelektronischen Messumformer leicht so aufgebaut werden, dass sie als Filter arbeiten, die nur einen Schwingungstyp zulassen. Im typischen Betrieb sind die Änderungen in der Schwingungsfrequenz aufgrund von Druck- oder Kraftänderungen

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im Vergleich zu der Modenfreguenz klein.

Die Erfindung kann ausserdem einen als Referenzweg bezeichneten zweiten Schallweg umfassen, welcher entweder keine Membran oder eine Membran enthält, die einem unterschiedlichen ausgeübten Druck oder einer unterschiedlichen ausgeübten Kraft ausgesetzt ist. Die ersten und zweiten Schallwege werden so hergestellt, dass sie die gleiche geometrische Länge haben und eng nebeneinander angeordnet sind, so dass sie auf derselben Temperatur gehalten werden, obgleich sich ihre gemeinsame Temperatur ändern kann. Eine zweite Rückkoppelungsschaltung, die aus zwei Messumformern, dem Referenzweg und einem zweiten Verstärker besteht, schwingt mit einer als Referenzfreguenz bezeichneten zweiten Freguenz. Durch Anlegen eines Abtastwerts der ersten und zweiten Oszillatorspannungen an einen Halbleitermischer wird ein Differenzfreguenzausgangssignal erzielt, welches zu dem Differenzdruck oder der Differenzkraft proportional ist, der bzw. die auf die ersten und zweiten Membranen ausgeübt wird. Die Änderungen in der Oszillatorfreguenz, die durch Temperatur verursacht werden, führen jedoch dazu, dass gleiche Änderungen mit demselben Vorzeichen in beiden Rückkopplungsschaltungen verursacht werden. Infolgedessen wird das Differenzfreguenzausgangssignal temperaturunabhängig sein.

Die Erfindung kann ausserdem mit nur einer kleinen Veränderung in der Membrankonfiguration als ein Beschleunigungsmesser mit digitalem Ausgang verwendet werden. Ein kleines Materialstück mit der Masse M, wird an der Unterseite der Membran befestigt, wo sich die Schallwellen nicht fortpflanzen. Wenn die Membran in ein Gehäuse eingeschlossen ist, welches Druckänderungen eliminiert, so wird durch Beschleunigung der Masse M, und die äussere Beschleunigung eine Verformung der Membran erzeugt. Wenn der Membranschallweg

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und die zugeordneten Messumformer in einer Rückkopplungsschaltung mit einem Verstärker verbunden sind, kann die Schaltung mit einer Frequenz schwingen, die sich im Verhältnis zu der ausgeübten Beschleunigung ändert. Wie zuvor, kann eine Referenzmembran mit einer unterschiedlichen Masse M₂ zusammen mit einer zugeordneten zweiten Rückkopplungs- , schaltung vorgesehen sein, damit sich eine Referenzschwingungsfrequenz ergibt. Wenn die beiden Membranen so aufgebaut sind, dass sie dieselbe Temperatur erreichen, so wird die Differenzfrequenz, die durch Anlegen von Abtastsignalen beider Rückkopplungsschaltungen an einen Halbleitermischer erzielt wird, temperaturunabhängig sein.

Der Messumformer kann ausserdem zum Messen der Spannung oder Beanspruchung verwendet werden* indem die Membran oder nur die Messumformer direkt auf die zu messende räumliche Oberfläche aufgeklebt werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Form eine Seitenan

sicht des Druckmessumformers in geklebter Konfiguration,

Fig. 2 in schematischer Form eine Seitenan

sicht des Druckmessumformers in monolithischer Konfiguration,

Fig. 3 in Draufsicht eine schematische Dar

stellung des Druckmessumformers und der zugeordneten Rückkopplungsschaltung,

Fig. 4 in Seitenansicht eine schematische

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Darstellung des Druckmessumformers und der zugeordneten Rückkopplungsschaltung,

Fig. 5 - ein Schema des Druckmessumformers mit

einem verbesserten Elektrodenmuster zum Unterdrücken ausgewählter Frequenz-Moden,

Fig. 6A eine Draufsicht auf einen Zweikanal

druckmessumformer,

Fig. 6B eine schematische Darstellung des Druck

messumformers von Fig. 6A,

Fig. 7A eine Draufsicht auf einen gekapselten

Druckmessumformer,

Fig. 7B eine Seitenansicht des gekapselten

Druckmessumformers von Fig. 7A,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Hochtemperatur-

Druckmessumformers,

Fig. 9 . eine Seitenansicht eines zur Beschleunigungsmessung abgewandelten Messumformers, und

Fig. 10 eine schematische Ansicht eines Mess

umformers, der zur Spannungs-Beanspruchung s-Messung verwendet wird.

Die grundlegende Druckmessumformer Konfiguration ist in den Figuren 1 bis 4 dargestellt. Der Messumformer besteht aus einer druckabhängigen Oberflächenschallwellen-Verzögerungsleitung und aus einer elektronischen Rückkopplungsschaltung, welche eine durch den ausgeübten Druck festgelegte

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—■ *7 ·■·

Schaltungsschwingungsfieqzuenz liefert.

Die druckabhängige Oberflächenschallwellenverzögerungs— leitung besteht aus einem stabilen Substrat 10, einer dünnen, flexiblen Membran 12, die,einem Gasdruck P ausge- . setzt werden kann, und zwei elektroakustischen Messumformern 14 und 16, die auf gegenüberliegenden Rändern der Membranoberfläche hergestellt sind. Abhängig von der gewünschten Herstellungs- und Betriebsumgebung kann die Verzögerungsleitung die eine oder andere der beiden Konfigurationen haben, die speziell in den Figuren 1 und 2 gezeigt sind. Die Membran 12 in Fig. 1, die aus Metall, Dielektrikum, einem Halbleitermaterial oder Gemischen dieser Materialien bestehen kann, ist mit der Oberfläche des Substrats 10 durch Kleben, Löten, Schweissen, Thermokompression oder andere Verbindungstechniken verbunden, oder die Membran kann auf der Substratoberfläche durch Aufdampfen im Vakuum, HF-Zerstäubung oder chemisches Bedampfen aufgewachsen oder aufgetragen sein. Das Material des Substrats ΙΟ, bei welchem es sich ebenfalls um Metall, Dielektrikum oder Halbleitermaterial handeln kann, wird so gewählt, dass es das gewünschte Herstellungsverfahren begünstigt. In dem Fall der Herstellung mittels Kleben, in welchem die Membran 12 und das Substrat 10 als zwei getrennte Bestandteile, gehandhabt werden können, wird" das Loch oder die Öffnung in dem Substrat 10, welches die Seitenabmessungen der Membran festlegt, gewöhnlich aus dem Substrat 10 ausgefräst oder ausgeschnitten, bevor die beiden Bestandteile verklebt werden. Wenn man die Membran 12 auf der Oberfläche des Substrats aufwachsen lässt oder auf dieselbe aufträgt, wird das Loch in dem Substrat durch Fräsen, Funkenerosion oder chemische Ätzverfahren gebildet, wie sie häufig bei der Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen angewendet werden.

Bei der monolithischen Konfiguration der Verzögerungsleitung,

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die in Fig. 2 dargestellt ist, wird eine Membran 12 verwendet, die in einem monolithischen Substrat IO hergestellt wird. Das Loch oder die Öffnung, welches die Membranseitenabmessungen festlegt, wird durch Fräsen, Funkenerosion oder chemische Ätzverfahren hergestellt, wie oben erwähnt. Hier kann jedoch die Membrandicke dadurch kontrolliert werden, dass die Öffnung nur teilweise in das Substrat 10 eingefräst wird und dass anschliessend die obere Fläche geschliffen und poliert wird, bis die gewünschte Membrandicke erreicht ist.

Die elektroakustischen Messumformer, die in ihrer Gesamtheit mit 14 und 16 bezeichnet sind, werden auf der Membran-Substrat-Oberfläche durch Anwendung von Standardverfahren der Mikroelektronik hergestellt. Wenn die Membran 12 ein Metall, Halbleiter oder nichtpiezoelektrisches Dielektrikum ist, wird ein Dünnfilmstreifen 18 aus piezoelektrischem Material, wie beispielsweise ZnO, an den gewünschten Messumformerstellen hergestellt, vorzugsweise durch HF-Zerstäubung. Ein Dünnfilm aus Cr/Au oder aus einem anderen Metall wird häufig aufgebracht, bevor das ZnO aufgebracht wird, um die piezoelektrischen Eigenschaften des Messumformers zu verbessern. Die Schlüsselkomponente in diesen elektroaktustischen Messumformern ist ein Muster aus Dünnfilmelektroden 20, welches durch Vakuumbedampfung und Mikroelektronikmuster-Erzeugung auf der Oberseite des piezoelektrischen Dünnfilms 18 erzeugt wird. Dieses Metallmuster, welches gewöhnlich aus Al besteht, hat Elektroden 20, die entweder in einem Interdigitalmuster oder in einem Gittermuster angeordnet sind. In dem Fall des Interdigitalmusters, der ausführlich in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Breite d und der Abstand der Elektroden 20 so gewählt, dass er ein Viertel der gewünschten Schallwellenlänge Λ (d.h. d ■ Λ /4) beträgt. Abwechselnde Elektroden sind miteinander in dem Fall des Interdigitalmusters verbunden, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich. Andererseits ist das

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Gittermuster (nicht dargestellt) so gewählt, dass die Elektrodenbreite und der Elektrodenabstand gleich der Hälfte der gewünschten Schallwellenlänge ist ( d =Λ /2). In dem Gittermuster sind sämtliche Elektroden parallel geschaltet und es ist wichtig, dass ein metallischer leitender Film, eine leitende Membran oder ein leitendes Substrat unter dem piezoelektrischen Film vorhanden ist. Der Messumformer wird fertiggestellt, indem Mikroelektronikklebedrähte zum Verbinden des Messuaformermusters mit dem übrigen Teil der Druckmessumformerschaltung verwendet werden.

Eine andere elektroakustische Messumformerkonfiguration kann verwendet werden, wenn das Membranmaterial nutzbar piezoelektrisch ist. Das Messumformer—Elektrodönmuster(Interdigital- oder Gittertyp) kann dann, direkt auf der Membranoberfläche hergestellt werden, ohne dass ein dazwischen liegender piezoelektrischer Film erforderlich ist» Die effiziente Auslegung sämtlicher oben betrachteten Schallwellen-Messumformer ist in dem Aufsatz von R. M. White, "Surface Elastic Waves", Proc. IEEE, !58, S. 1 238 - 1 276 (August 1970) beschrieben.

Im allgemeinen ist die Verwendung von piezoelektrischen Dünnfilmstreifen 18 von Fig. 1 vorzuziehen, weil die Membran 12 dann im Sinne einer Optimierung ihrer mechanischen Eigenschaften gewählt werden kann, ohne dass der starke Zwang besteht, dass sie auch eine nutzbare piezoelektrische Kopplung besitzen muss. HF-Zerstäubtes ZnO ist ein interessantes piezoelektrisches Dünnfilmmaterial für viele Druckmessumformeranwendungen, weil es an einer Vielzahl von Membranoberflächen fest haftet und weil es eine verhältnismässig hohe piezoelektrische Kopplung hat. Beispielsweise können mit ZnO elektroakustische Hochleistungsmessumformer auf Siliziummembranen hergestellt werden, sogar wenn das Silizium gut leitend ist, wenn ein Dünnfilm aus Cr/Au zuerst

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- IO -

auf die Siliziumoberfläche aufgebracht wird. Das Silizium kann vorher durch Standardmikroschaltungsverfahren dünner gemacht werden, und zwar bis auf eine Dicke in der Grössenordnung von 0,002 Zoll (0,054 mm). Nach der Messumformerherstellung kann das Silizium mit einem massiven Metallsubstrst verklebt werden, wie oben erläutert.

ZnO-Hochleistungsmessumformer 14 und 16 können auch für die monolithische Verzögerungsleitungskonfiguration von Fig. hergestellt werden, bei welcher die Membran 12 zuerst aus einem monolithischen Silizium-, Metall- oder dielektrischen Substrat 10 herausgeätzt oder -gefräst wird. Wiederum würde zunächst eine Schicht aus Cr/Au normalerweise auf die Substratoberfläche aufgebracht werden, um die Herstellung und den Wirkungsgrad des ZnO zu vergrössern.

Für die Hochtemperaturanwendungen in dem Bereich oberhalb 500 C kann erwartet werden, dass die Verwendung von HF- zerstäubten Dünnfilmen aus AlN, die auf Saphirmembranen aufgebracht sind, von Bedeutung sind. Die AIN/Saphir-Konfiguration hat eine verhältnismässig starke piezoelektrische Kopplung und zersetzt sich nicht bei Temperaturen von mindestens bis zu 1 000 C.

Die Figuren 3 und 4 zeigen den Schaltungsaufbau, der bei der Erfindung zum Erzeugen einer Schaltungsschwingungsfrequenz verwendet wird, die durch den ausgeübten äusseren Druck P festgelegt ist. Wenn eine Wechselspannung aus einer nicht dargestellten Quelle an ein Klemmenpaar A angelegt wird, wird in dem linken elektroakustischen Messumformer 14 ein räumlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt und Oberflächenschallwellen werden durch piezoelektrische Wechselwirkung in den beiden Richtungen normal zu den Meßumformerelektroden 20 ausgesandt. Gewöhnlich ist es erwünscht, dass nur diejenigen Wellen benutzt werden, die sich nach rechts zu der flexiblen Membran 12 ausbreiten.

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Die in der entgegengesetzten Richtung ausgesandten Wellen können durch Aufrauhen der Oberfläche in dieser Richtung absorbiert werden. Messumformer r.it li-vfcerdigital- oder Gitterelektrodenmustern sind am wirksamsten bei Frequenzen in der Nähe der Synchronismusfrequenz f , die festgelegt ist durch .

f ⁼ ν* / Λ
ο a ο

wobei ν die Oberflächenschallwellengeschwindigkeit der

3 .

Messumformer-Membran-Konfiguration und Λ die periodische Elektrodenabmessung ist. Im allgemeinen arbeiten diese Messumformer wie Filter mit bevorzugten Durchlassbereichen in der Nähe der Frequenz f . Im folgenden wird beschrieben, wie die Messumformer-Durchlassbereiche ausgelegt -werden können, um den Betrieb des Druckmessumformers zu optimieren. Die der Frequenz f entsprechende Schallwellenlänge ist Λ = ν /f . Da die Schallwellengeschwindigkeiten verhältnismässig klein sind, annähernd 3 000 m/s, sind die Oberflächenschallwellenlängen sehr kurz, annähernd 30 Mikrometer für einen Betrieb mit 100 MHz. Da die Eindringtiefe einer Oberflächenwelle auf ungefähr eine Wellenlänge begrenzt ist, kann die Membrandicke sehr dünn sein und trotzdem eine Oberflächenlänge ohne Modenumwandlung und die diese begleitende Verzerrung tragen. Infolgedessen können Membranen für den Oberflächenwellen-Druckmessumformer sehr dünn gemacht werden, um die Empfindlichkeit der Einrichtung in kleine Druckbereiche auszudehnen.

Oberflächenwellen, die durch den linken elektroakustischen Messumformer 14 in den Figuren 3 und 4 ausgesandt werden, bewegen sich in einem Bündel oder Kanal über die Membran 12^r und erreichen den rechten Messumformer 16, in welchem eine piezoelektrische Wechselwirkung eine Wechselspannung an dem Klemmenpaar B ergibt. Wenn kein Gasdruck oder andere mechanische Spannungen auf die Membran 12" ausgeübt werden, wird ein kurzer HF-Energieimpuls mit einer Frequenz nahe der Frequenz f , der an das Klemmenpaar A angelegt wird,

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das Klemmenpaar B mit einer Verzögerungszeit von

τ = i /v
po ^Apo a ο

erreichen, wobei^ und ν die Mitte-zu-Mitte-Weglänge zwischen den elektroakustischen Messumformern 14 und 16 bzw. die mittlere Oberflächenschallwellengeschwindigkeit bei einer Membranspannung Null sind. Es ist zweckmässig, die Verzögerungszeit τ in zwei Komponenten zu zerlegen

τ = τ + τ,
po eo do

wobei τ und τ, die Verzögerungszeit für Wellen sind, welche über den Teil des starren Substrats bzw. den Teil der flexiblen Membran des Verzögerungsweges hinweggehen. Wenn die Membran aufgrund eines ausgeübten äusseren Druckes P gebogen ist, bleibt die Verzögerungszeit τ konstant, aber die Membranverzögerung ist annähernd gegeben durch

Ί + a, P'+ a_o P² +

d ~ "do ^X ^Z

1 + P₁ P + ß₂ P² +

wobei die Koeffizienten α, und ß, erhalten werden, indem die Verzögerungsweg- und Geschwindigkeitsänderungen in Potenzreihenentwicklungen mit der Veränderlichen P ausgedrückt werden. Für kleine Membranbiegungen können die Koeffizienten für ein bestimmtes Membranmaterial und eine bestimmte Membrankonfiguration unter Verwendung der bekannten Biegeplattentheorie berechnet werden. Gute Angaben darüber finden sich in dem Buch von Timoshenko und Woinowsky - Krieger, Theory of Plates and Shells, 2. Ausgabe, McGraw Hill, 1959. Im allgemeinen werden die Ausdrücke

2
o. P und ß, P am grössten sein, während sie selbst für einen kleinen Druck P viel kleiner als Eins sein werden. Durch eine sorgfältige Auswahl von Membranparametern und -konfiguration ist es möglich, den Zustand zu erreichen, in welchem der

2 Ausdruck ß, P viel grosser ist als a_ P , wodurch sich eine fast linieare Änderung der Verzögerungszeit mit dem Druck ergibt.

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Wenn gemäss Fig. 3 und 4 die Verzögerungsleitungsklemmenpaare A und B in einer Rückkopplungsanordnung mit einem Verstärker 26 verbunden sind und wenn die Verstärkung des Verstärkers bis zu dem Punkt erhöht wird, an welchem die Verstärkung der Rückkopplungsschleife Eins überschreitet, wird die Schaltung in einer oder mehreren Frequenzmoden schwingen, welche durch f festgelegt sind:

^fn ^T _Po ⁺ V*ⁿ = ⁿ
wobei φ die Phasenverzögerung des Verstärkers und η eine ganze Zahl ist. Da f ■ τ gewöhnlich viel grosser als φ_ρ/2π für eine Verzögerungsleitungsrückkopplungsschaltung ist, wird sich die Frequenz der η-ten Mode wie τ / τ verändern.

η po

Wenn der Ausdruck ß, P vorherrschend ist, wie oben beschrieben, wird sich die Frequenz der η-ten Mode annähernd folgendermassen verändern: · -

^fn = ⁽ⁿ/ ^Tpo^} f^{1 +} Pl ^P) Diese Gleichung gibt an, dass sich die Frequenz der n. Mode ,.

linear mit dem ausgeübten äusseren Druck verändert. In Versuchen mit einem Siliziummembran-Druckmessumformer, dessen Membran einen Durchmesser von 6,5 mm und eine Dicke von 0,05 mm hat, ergeben sich die Werte η = 332, f = 166 MHz und τ =2,0 -ps. Für den Koeffizienten ß, hat sich experimentell annähernd —10 / Atmosphäre über dem Null zu Eins Ätmosphärendruckberexch ergeben. Die Ausgangsfrequenz des Druckmessumformers nahm deshalb um annähernd 16,6 kHz über einer Druckänderung von einer Atmosphäre ab. Da die Frequenz bis auf 1 Hz mit Mittenfrequenzen bis zu 500 MHz mit Hilfe von elektronischen Standardeinheiten, wie beispielsweise dem Hewlett-Packard Modell 5 327 C, gezählt werden kann, hat die vorliegende Erfindung potentielle Messgenauigkeiten in der Grössenordnung von O,Ol %.

Die Tatsache, das viele Frequenzmoden in der -Schaltung der Figuren 3 und 4 erlaubt sein können, .konnte zu einem ernsten Problem werden, weil Instabilitäten dazu führen

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können, dass die Schaltung von Mode zu Mode springt, wodurch sich eine falsche Anzeige der Druckänderung ergibt. Ein einfaches Verfahren, durch das Modeninstabilitäten verhindert werden, macht Gebrauch von einem Messumformeraufbau mit vielen Elektroden und ist in ,Fig. 5 dargestellt. Die beiden Messumformer 14 und 16 sind mit derselben .Anzahl von Elektroden versehen, die jedoch eine ganz unterschiedliche räumliche Verteilung haben. Der linke Messumformer 14 hat r Paare von Elektroden und hat deshalb eine Gesamtlänge in der Schallwellenausbreitungsrichtung von r Λ . Der rechte Messumformer hat p/r Gruppen von Elektroden, wobei sämtliche Gruppen parallel sind, jede Gruppe s Paare von Elektroden hat und der Mitte-zu-Mitte-Abstand dieser Gruppen gleich r Λ ist. Schliesslich ist der Mitte-zu-Mitte-Abstand der beiden elektroakustischen Messumformer 14 und 16 so gewählt, dass er (p + r) Λ beträgt. Der Gesamtfrequenzgang, der beim Durchgang durch die beiden Messumformer 14 und 16 erreicht wird, verändert sich annähernd wie (sin X/X)², wobei X = 2 π . q (f-f )/f und q = ρ + r ist. Diese Messumformeranordnung liefert Minima in dem Frequenzgang der Rückkopplungsschleife bei den Frequenzen f ,

m ο
wobei m irdendeine von Null verschiedene ganze Zahl ist.

Wenn der Mitte-zu-Mitte-Abstand des Messumformers genau gleich g Λ ⁼ <3 (v /f ) gemacht wird, so ist f /q = 1/ τ

ο a ο ο ]P^

und der Messumformerfrequenzgang dämpft stark alle weiter oben beschriebenen Frequenzmoden f , mit Ausnahme der Mittenmode f = ν / Λ . Die obige Messumformerkonstruktion wurde ο a ο

zuerst in England zum Stabilisieren von nichtdruckabhängigen Oberflächenschallwellen-Rückkopplungsoszillatoren verwendet (vgl. Crabb, Lewis und Maines, "Surface Acoustic Wave Oscillators: Mode Selection und Frequency Modulation", Electronics Lett., j3, 195-197, 17. Mai 1973). Messumformer mit einer Vielelektroden-, Schmalbandcharakeristik wurden in dem Siliziummembran-Druckmessumformer verwendet, der weiter oben beschrieben ist. Es wurden bei dieser Einrichtung

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keine Modeninstabilitäten beobachtet.

Ein wichtiges Problem in vielen Einrichtungen, die Schallwellenerscheinungen benutzen, ist die Änderung der Schallparameter und die Änderung der Schallverzögerung in Abhängigkeit von der Temperatur. Ein linearer Temperaturkoeffizient in der Grössenordnung von 30 ppm/°C wird für die meisten Verzögerungsleitungs- und Membranmaterialien beobachtet. Da die beobachteten Empfindlichkeiten für die Erfindung in der Grössenordnung von 100 ppm/atm liegen, ist zu erwarten, daß eine Temperaturdrift ein ernstes Problem darstellt. Die Figuren 6A und 6B zeigen eine einzigartige Zweischallkanal-Konfiguration, die Temperatureffekte wesentlich verringern kann und ein druckabhängiges Frequenzausgangssignal ergibt, welches niedrig genug ist, damit es mit billigen Zählern, die dem Fluke Model 1 941 A, gezählt werden kann. Die beiden Schallkanäle werden eng nebeneinander auf demselben Substrat 10 hergestellt, so dass ihre Temperaturdifferenz sehr klein ist. Der Hauptkanal besteht aus Messumformeranordnungen 14 und 16, die auf einem piezoelektrischen Dünnfilm 18 hergestellt und durch eine Hauptmembran 12 getrennt sind, wie weiter oben beschrieben. Der Referenzkanal besteht aus Messumformeranordnungen 14' und 16', die auf demselben piezoelektrischen Dünnfilm 18 hergestellt und durcheine Refererizmembran 12' getrennt sind. Im Idealfall sind die Membranen 12 und 12' gleich, damit gleichwertige Wärmestrahlungseigenschaften sichergestellt sind. Es sind jedoch Vorkehrungen getroffen, dass unterschiedliche äussere Drücke auf die beiden Kanäle ausgeübt werden. Wenn auf beide Kanäle kein Druck ausgeübt wird, ist die Oberflächenwellenverzögerung für beide Kanäle die gleiche, und wenn gleiche Verstärker und Rückkopplungsverbindungen verwendet werden, sind die Schwingungsfrequenzen f_ und f_ für den Druck Null für die

ir K.

Haupt- bzw. Referenzkanäle gleich. In der Praxis wird eine

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zwar kleine, aber konstante Differenzfrequenz aufgrund von Schaltungsunstimmigkeiten beobachtet. Diese Differenz wird hier vernachlässigt- Himmt man an, dass die Rückkopplungsschaltungen für die Haupt- und Referenzkanäle, welche die Verstärker 26 und 26' enthalten,-mit einem Mischer 30verbunden sind, wie in Fig. 6B gezeigt, und dass das Differenzfreguenzausgangssignal f = f - f

JL/ ir x\

gewählt ist, da die beiden Kanäle beinahe gleich sind, so kann angenommen werden, dass ihre Frequenzen bei dem Druck Null beinahe gleich sind (f - f ) und dass ihre

JrO KO

linearen Druckempfindlichkeiten beinahe gleich sind ( P₁ P £^ ß^ R). Die abgegebene Differenzfrequenz ist dann

^fD- ^fRo * Pl · ^R · (^PP - V

was zeigt, dass die grossen temperaturabhängigen Schalländerungen durch die Verwendung der Doppelkanalkonfiguration und des Differenzfreguenzausgangssignals aufgehoben werden können. Die Doppelkanaleinrichtung arbeitet wie ein Differenzdruckmessumformer, das Ausgangssignal ist proportional zu (P- - P~). Wenn der Referenzkanaldruck konstant ge-

ir K

halten wird, dann wird das Ausgangssignal zu einem Mass des absoluten Druckes P . Das Differenzfreguenzausgangssignal des Mischers 30 wird dann durch einen Frequenzzähler 32 (Fig. 6B) in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt.

Oben ist stillschweigend angenommen worden, dass die Schallausbreitungsoberfläche des Messumformers in einer Vakuumumgebung gehalten wird, so dass der gesamte Membrandruck auf die Unterseite der Membran ausgeübt werden kann. Diese Annahme ist wichtig, weil die Oberflächenwelle gestört und gedämpft werden kann, wenn die Ausbreitungsumgebung sich ändert oder aufgrund von Feuchtigkeit oder anderen Flüssigkeitseffekten viskos ist. Wegen der Umgebungseinwirkungen muss Sorgfalt auf das Umhüllen der Erfindung Verwendet werden, wenn ein zuverlässiger Betrieb erreicht werden soll.

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Die Figuren 7A und 7B zeigen eine Möglichkeit, wie die Einrichtung zweckmässig montiert werden kann, um Umgebungseinflüsse auszuschalten. Das Doppelkanalsubstrat 10, auf welchem die Messumformer 14, 14', 16 und 16' angebracht sind, ist an dem Boden eines Mikroelektronik-Flachgehäuses (frlat-pak package) 34 befestigt, so dass die Oberflächenwellen-Ausbreitungsoberfläche nach oben weist und die druckabhängigen Membranen 12 und 12' in getrennte Gasdruckkanäle 36 und 38 weisen. Das Flachgehäuse 34 kann zweckdienlich gross genug sein, um die Rückkopplungsschleifenverstärker 40 und den Ausgangsschaltungsmischer 42 aufzunehmen, die in geeigneter Weise mit den Messumformern verbunden sind. Nach dem Montieren dieser Bauteile und dem Herstellen der Mikroelektronik-Anschlussverbindungen 44 kann der Flachgehäusedeckel im Vakuum oder in einer leichten Inertgasatmosphäre aufgeschweisst werden. Der Flachgehäusedeckel kann einen Befestigungszapfen 46 haben, damit der Messumformer in den verschiedensten Anwendungsfallen zweckmässig montiert werden kann.

Da in der Druckmessumformer-Verzögerungsleitungskonfiguration nur stabile, pas-sive Materialien verwendet werden, kann sie potentiell bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden, beispielsweise bei Temperaturen von 1 000 C. Solche Temperaturen wären für einen zuverlässigen Betrieb der elektronischen Rückkopplungsverstärker zu hoch, die gewöhnlich auf einen Betrieb bei 100 °C oder niedriger begrenzt sind. Fig. 8 zeigt eine Durchgangskonfiguration, die erlaubt, dass der Doppelkanal-Druckmessumformer in einer HochtemperaturUmgebung arbeitet, während die Rückkopplungsschaltung etwas davon entfernt unter relativ niedrigen Temperaturbedingungen arbeiten kann. Das Substrat 10, auf welchem die geeignete Verzögerungsleitung einschliesslich der akustischen Messumformer hergestellt ist und

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welches eine Membran 12 enthält, ist innerhalb einer Steckanordnung 50 angebracht, wobei der Stecker auf seiner Aussenseite mit Gewinde versehen ist, so dass er in einer Befestigungswand 52 montiert und durch eine Gegenmutter 54 gesichert werden kann. Ein Durchlass 56 verbindet die Membran 12 mit dem zu messenden Druck P. Die elektrischen Verbindungen mit den Messumformern sind durch Kanäle 58 hindurch zu der gegenüberliegenden Seite der Wand 52 geführt, wo Verbindungen mit einem Verstärker 60 und den anderen elektronischen Bauteilen hergestellt sind. Für die elektrischen Verbindungen können bei Bedarf Dichtungen vorgesehen sein. Eine Deckplatte 62, die auf dem Stecker 50 befestigt ist, schützt die Verzögerungsleitung vor der Umgebung. Der dem Substrat benachbarte Raum ist evakuiert oder mit Inertgas gefüllt. Auf diese Weise kann die Membran über den Durchlass 56 zu einer Hochtemperaturumgebung hin offen sein, wie beispielsweise einem Turbinentriebwerk, in welchem ein Druck gemessen werden soll, während der Verstärker 60 und andere wärmeempfindliche Bauteile sich auf einer viel niedrigeren. Temperatur befinden können. Zum Verbinden der Verzögerungsleitung und der Rückkopplungsverstärker könnte ein warmfestes Koaxialkabel verwendet werden, es könnten sogar mehrere Fuß Kabel verwendet werden, da die Verzögerungszeit für das Kabel nur. Nanosekunden pro Fuss (30,5 cm) beträgt, während die Verzögerung der Verzögerungsleitung eine Mikrosekunde oder mehr beträgt.

Die Grundkonfiguration für

den Oberflächenschallwellen-Druckmessumformer kann ausser zur Druckmessung auch zum Messen von anderen Grossen verwendet werden.Die Schallausbreitung ist gewöhnlich gegenüber Temperaturänderungen sehr empfindlich. In der Doppelkana!konfiguration ändert sich die Rückkopplungsschaltungsfrequenz in jedem Kanal annähernd linear, wenn der Druck konstant gehalten wird. In einem ganz anderen Anwendungsfall könnte die in Fig. 9 dargestellte, leicht abgewandelte Konfiguration zur Beschleunigungsmessung verwendet werden.

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An der Membran von Fig. 1 und 2 ist nun eine Massenbelastung M im Mittelpunkt der Membran 12 befestigt, so dass eine Kraft F = M.a,wobei a die Beschleunigung ist, auf die Membran ausgeübt wird. Die Gesamtheit von Membran und Substrat sind zwar nun in ein Vakuum oder eine leichte Inertgasatmosphäre eingeschlossen, um einen Membrandruck aufgrund von äusseref Gasbelastung zu beseitigen, die grundlegende Verzögerungsleitung und Rückkopplungsoszillatorschaltung sind jedcch unverändert. Da die Oszillatorfrequenz in annähernd linearer Beziehung zu der auf die Membran ausgeübten Gesamtkraft steht, wird sich das Frequenzausgangssignal der Einrichtung nun im Verhältnis zu der ausgeübten Beschleunigung verändern. Eine Doppelkanalkonfiguration mit unterschiedlichen Massenbelastungen M, und M~ in den beiden Kanälen könnte verwendet werden, um Temperaturänderungen aufzuheben.

Die Grundkonfiguration kann auch verwendet werden, um Messungen von mechanischer Spannung-Beanspruchung in situ auszuführen. In diesem Fall wird die Messumformerkonfiguration von Fig. 1 und 2 entweder direkt auf der zu messenden räumlichen Oberfläche hergestellt, wie in Fig. 10 gezeigt, oder die dünne Membran mit zugeordneten Messumformern wird gleichmässig mit der Messfläche verklebt. In Fig. 10 sind die Messumformer 14 und 16 direkt auf der Oberfläche einer Platte 50 angebracht, die aufgrund eines Biegemoments M^ unter mechanischer Spannung steht.

Die Phasenverzögerung zwischen den Messumformern wird eine Funktion der mechanischen Oberflächenspannung sein, wie es weiter oben bei der Beschreibung des Betriebs des Druckmessumformers beobachtet wurde. Wie zuvor, ist die Messumformerkonfiguration mit einer Rückkopplungsverstärkerschaltung verbunden, damit ein von der mechanischen·Spannung

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abhängiger Frequenzwert erhalten wird. Ausserdem ist für Anwendungen auf den meisten Konstruktionsmaterialoberflächen die Beziehung zwischen ' echanischer Spannung und Beanspruchung bekannt. Somit kann die Grundkonfiguration einen genauen Messwert der Oberflächenbeanspruchung liefern. Der Hauptvorteil des in Fig. 10 dargestellten Spanriungs- Beanspruchungs-Fühlers gegenüber anderen Lösungen ist: 1) direktes Herstellen auf oder Verkleben mit der Messfläche, um eine stabile Messkonfiguration zu schaffen. 2) Möglichkeit eines Betriebs bei sehr hoher Temperatur, wie beispielsweise in dem kritischen Nachbrennerbereich eines Strahltriebwerks, und 3) Kompatibilitat mit digitalen Systemen.

Hält man die Membran oder die Wellenausbreitungsoberfläche gegenüber Änderungen des ausgeübten Druckes oder mechanischen Spannung isoliert, so kann die Einrichtung nach der Erfindung zum Abfühlen der Temperatur verwendet werden. Die Rückkopplungsschaltungsfrequenz wird sich in dieser Anordnung dann ungefähr linear als eine Funktion der Temperatur verändern, und zwar aufgrund der mit Temperaturänderungen auftretenden Expansion in der Membran oder der Wellenausbreitungsoberfläche.

Die Einrichtung kann ausserdem als Mengenflußmessgerät zum Messen der Strömung entweder von Gasen oder von Flüssigkeit verwendet werden. Das wird erreicht, indem die Strömung derart auf die Membran geleitet wird, dass sich die Strömung nach dem Hinweggehen über die Membran oder an der Berührungsstelle mit der Membran umkehrt. Die Momentänderung führt zu einer auf die Membran ausgeübten Kraft, die zu dem Moment proportional ist, welches seinerseits gleich der Masse pro Längeneinheit der Strömung multipliziert mit der Geschwindigkeit der Strömung ist. Somit wird die Geschwindigkeit gemessen, wenn die Massendichte

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der Strömung bekannt ist.

Im Rahmen der Erfindung bietet sieb, dem Fachmann über die beschriebenen Ausführungsbeispiele hinaus eine Vielzahl von Vereinfachungs- und Verbesserungsmöglichkeiten.

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Claims

Patentansprüche :

Messumformer/ gekennzeichnet durch ein Substrat mit einer flexiblen Membran, durch Einrichtungen zum Übertragen-einer Reihe von Oberflächenschallwellen über das Substrat einschliesslich der flexiblen Membran, und durch eine Einrichtung zum Messen der Zeitverzögerung in der Ausbreitung der Reihen von Oberflächenschallwellen über das Substrat, welche durch Verformung der flexiblen Membran in Abhängigkeit von einem äusseren Zustand hervorgerufen wird.
2. Messumformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elektronische Rückkopplungseinrichtung, die mit der Messeinrichtung verbunden ist und ein Signal erzeugt, dessen Frequenz eine Funktion der Verformung der Membran ist.
3. Messumformer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ausüben eines äusseren Druckes auf die flexible Membran, um diese zu verformen, wobei das Signal eine Funktion dieses Druckes ist.
4. Messumformer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine an der flexiblen Membran befestigte und gemeinsam mit dieser bewegbare Masse.
5. Messumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere zur Druckabfühlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Übertragen einer Reihe von Oberflächenschallwellen enthalten:

erste und zweite Messumformer, die auf dem Substrat auf gegenüberliegenden Seiten der Membran hergestellt sind, Einrichtungen zum Betätigen des ersten Messumformers, um eine erste Reihe von Oberflächenschallwellen zu erzeugen, die sich über das Substrat einschliesslich der Membran fortpflanzen und den zweiten Messumformer kreuzen,

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und dass die Zeitmesseinrichtung eine elektronische Rückkopplungsschaltung enthält, die mit den ersten und zweiten Messumformern zum Erzeugen eines ersten Frequenssigrials verbunden ist, welches die Zeitverzögerung in der Fortpflanzung der ersten Reihe von Schallwellen über das Substrat angibt, die durch die Verformung der Membran in Abhängigkeit von'einem ausgeübten Druck hervorgerufen wird.
6. Messumformer nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch dritte und vierte Messumformer, die auf dem Substrat angebracht sind, durch eine Einrichtung zum Betätigen des dritten Messumformers, um eine zweite Reihe von Oberflächen-Schallwellen mit derselben Frequenz wie die erste Reihe zu erzeugen, die sich über das Substrat fortpflanzen und den vierten Messumformer kreuzen, durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten Frequenzsignals, welches die Zeitverzögerung in der Fortpflanzung der zweiten Reihe von Schallwellen zwischen den dritten und vierten Messumformern angibt, und durch eine Einrichtung zum Vereinigen der ersten und zweiten Frequenzsignale, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches den ausgeübten Druck anzeigt.
7. Messumformer nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine zweite flexible Membran, die in dem Substrat zwischen den dritten und vierten Messumformern enthalten ist, wobei die zweite Reihe von Oberflächenschallwellen die zweite Membran kreuzt, und durch eine Einrichtung zum Ausüben eines Druckes auf die zweite Membran, der von dem Druck verschieden ist, der auf die Membran zwischen den ersten und zweiten Messumformern ausgeübt wird, wobei das Ausgangssignal die Differenz zwischen den ausgeübten Drücken anzeigt.
8. Messumformer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch

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gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Messumformer mehrere auf dem Substrat hergestellte Elektroden enthalten.
9. Messumformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein dielektrisches Material ist und dass eine dünne Schicht aus einem piezoelektrischen Material auf dem Substrat zwischen dem Substrat und den Elektroden hergestellt ist.
10. Messumformer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material ZnO ist.
11- Messumformer nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine dünne Schicht aus flexiblem Material umfasst, die auf der Oberseite des Substrats physikalisch befestigt ist.
12. Messumformer nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus demselben Material wie das Substrat hergestellt ist.
13. Messumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Vereinigen der ersten und zweiten Freguenzsignale eine elektronische Mischschaltung ist.
14. Messumformer nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Freguenz-Digital-Umsetzungseinrichtung, die mit der Mischschaltung verbunden ist_/ um das Ausgangssignal in ein Digitalsignal umzusetzen, welches den ausgeübten Druck anzeigt.
15. Messumformer nach Anspruch 1 zur Druckmessung in einer HochtemperaturUmgebung, gekennzeichnet durch eine Befestigungsanordnung für das Substrat, durch einen ersten

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Durchlass in der Befestigungsanordnung, damit die Membran einer Hochtemperatur-Druck-Umgebung ausgesetzt ist, wobei der Druck eine Verformung der Membran bewirkt, durch einen zweiten Durchlass in der Befestigungsanordnung, wobei ein Ende des zweiten Durchlasses in der Nähe des Substrats offen ist und wobei das andere Ende des Durchlasses zu einer Umgebung hin offen ist, die im wesentlichen kühler als die Hochtemperatur-Druck-Umgebung ist, und dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Messen der Zeitverzögerung in der Ausbreitung der Reihen von Oberflächenschallwellen' über das Substrat, die durch Verformung der Membran verursacht wird, eine elektrische Einrichtung ist, die in der im wesentlichen kühleren Umgebung angeordnet und mit dem Substrat über den zweiten Durchlass elektrisch verbunden ist.
16. Messumformer nach Anspruch 1 zur Beschleunigungsmessung, dadurch gekennzeichnet, dass an der flexiblen Membran eine mit dieser gemeinsam bewegbare Masse befestigt ist und dass die Zeitverzögerungsmesseinrichtung die Zeitverzögerung in der Ausbreitung der Reihen von Oberflächenschallwellen über das Substrat misst, die durch Verformung der flexiblen Membran in Abhängigkeit von einer Beschleunigungskraft hervorge-* rufen wird.
17. Messumformer nach Anspruch 1 zur Spannungs-Beanspruchungs-Messung, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Verkleben des Substrats mit der räumlichen Oberfläche vorgesehen sind, deren Oberflächenspannung gemessen werden soll, und dass die Zeitverzögeruncjlhesseinrichtung die Zeitverzögerung in der Ausbreitung der Reihen von Oberflächenschallwellen über das Substrat misst, die durch Verformung der flexiblen Membran in Abhängigkeit von einer mechanischen Spannung in der räumlichen Oberfläche erzeugt wird.

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18. Messumformer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Übertragen einer Reihe von Oberflächenscha1lweIlen enthalten:

erste und zweite Messumformer, die auf der Oberfläche des Materials hergestellt sind, dessen mechanische Oberflächen·; spannung zu messen ist,

Einrichtungen zum Betätigen des ersten Messumformers, um eine Reihe von Oberflächenschallwellen zu erzeugen, die sich über das Material ausbreiten und den zweiten Messumformer kreuzen, und dass die Zeitverzögerungsmesseinrichtung mit den ersten und zweiten Messumformern verbunden ist, damit die Zeitverzögerung in der Ausbreitung der Reihen von Oberflächenschallwellen über das" Material gemessen wird, die durch eine mechanische Spannung in dem Material erzeugt wird.

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