DE2754669A1

DE2754669A1 - Messfuehler

Info

Publication number: DE2754669A1
Application number: DE19772754669
Authority: DE
Inventors: Fleming J Dias; Henry E Karrer; John A Kusters
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1977-12-08
Publication date: 1978-10-12
Also published as: JPS53133651U

Description

MESSFOHLER
Die Erfindung betrifft einen Meßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Akustik-Oberflächenwellen-Resonatoren werden gegenwärtig zur Filterung und Frequenzsteuerung verwendet. Derartige Resonatoren enthalten ein piezoelektrisches Substrat mit Refl exionsg i ttern, welche einen Resonanz raum ausbilden und haben einen Meßumformer, der ein Erregungssignal einkoppelt und die Resonanzstehwellen abtastet, die in den Resonanzraum eindringen oder aus diesem herauskommen. Die Reflexionsgitter bestimmen die Resonanzfrequenz des Resonanzraumes durch Jie ganzzahlige Anzahl von Halbwellenlängen der akustischen Energie zwischen den Gitterabständen. Die Synchronfrequenz des Meßumformers ist gleich der Resonanzfrequenz des Resonanzraumes.
Oszillatoren und Resonatoren dieses Typs arbeiten mit hohen Frequenzen. Im Unterschied zu Oszillatoren mit Verzögerungsleitungen, wie sie beispielsweise beschrieben sind von M. Lewis in dem Aufsatz in "Proceedings of the 28th Annual Symposium on Frequency Control 1975," Seiten 304 bis 309, arbeitet der Akustik-Oberflächenwellen-Resonator mit einem höheren Gütefaktor Q und hat den Vorteil kleiner zu sein. Das Betriebsverhalten solcher Resonatoren wird beschrieben in der Zeitschrift "Proceedings of the 28th Annual Symposium on Frequency Control" 1974, Seiten 280 bis 285 sowie in "Proceedings of the Ultrasonic Symposium", 1975, Seiten 269 bis 274.
Durch das Kennzeichen von Patentanspruch 1 wird ein Meßfühler gemäß dem Oberbegriff geschaffen, welcher in noch einfacher Weise eine zuverlässige Messung von mechanischen Spannungen, Kräften und Temperaturen gestattet. Dabei werden Akustik-Oberflächenwellen-Resonatoren in verschiedenen Anordnungen verwendet, die Quarzsubstrate enthalten, deren kristallographische Ausrichtungen derart ausgewählt sind, daß bei jeder gewünschten Temperatur die Gesamtabhängigkeit der Anordnung von der Temperatur Null wird. Bei der Ausbildung als Temperaturmeßfühler wird die kristallographische Ausrichtung des Quarzsubstrates derart gewählt, daß die gewünschte Temperaturempfindlichkeit erhalten wird, und die Halterung des Substrats vermeidet Störeinflüsse von mechanischen Spannungen auf das Substrat.
Wenn im Betrieb der Akustik-Oberflächenwellen-Resonator änderungen der Temperatur oder Spannung unterworfen wird, ändert sich wiederum die Länge, Dichte oder die Elastizitätskonstante des Substrates mit der Resonanzfrequenz Fo. Die änderung der Resonatorfrequenz wird als proportionales Maß der Anderung der Temperatur oder der Spannung verwendet, welcher der Resonator ausgesetzt ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; es stellen dar: Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines SAW-Spannungsmeßfühlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Figur 2 eine Seitenansicht eines SAW-Resonator-Spannungsumformers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, Figur 3 eine Seitenansicht eines SAW-Resonator-Spannungsumformers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, Figur 4 ein Diagram der Frequenzänderung über der Spannung für den Meßfühler gemäß Figur 2, Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines SAW-Resonator-Druckmeßfühlers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, Figur 6 ein Diagram der Frequenzänderung über dem Druck für den Meßfühler gemäß Figur 5, Figur 7 eine Seitenansicht eines SAW-Resonator-Meßfühlers gemäß der Erfindung mit differentieller Empfindlichkeit.
Gemäß der schematischen Darstellung in Figur 1 umfaßt der Resonator ein Substrat 10 mit zwei Sätzen von in einem Plasmastrahl gelten Reflexionsgitternbzw. Reflektoren 12 von denen jeder als räumlich verteilter Reflektor einen akustischen Resonanzraum ausbildet. Um die Temperatureffekte minimal zu machen, ist das Substrat 10 ein Quarz der im Y-Rotationsschnitt mit einem Winkel e = 42,750 geschnitten ist. Jede Welle besteht aus einer geätzten Nut in dem Substrat und hat eine Tiefe von etwa lu. In jeder der Nuten kann eine Aluminiummetallisation vorgesehen werden. Der interdigital, d.h. kammartig ineinandergreifend ausgebildete Umformer 14 ist in Dünnfilmtechnik in der Mitte des Resonanzraumes ausgeführt. Die Reflexionsgitter können ebenfalls in Dünnfilmtechnik hergestellt werden. Unabhängig davon, ob Nuten, metallisierte Nuten oder in Dünnfilmtechnik hergestellte Gitter verwendet werden, dient der Reflektor in jedem Fall dazu, äquidistante Diskontinuitäten in dem Weg des SAW-Resonators auszubilden.
Die Periodizität der Reflektoren sollte eine halbe Wellenlänge, bezogen auf die gewünschte Resonanzfrequenz betragen, Die tatsächliche Resonanzfrequenz des Resonanzraums ergibt sich sich aus der Relation Fo = g, wobei Fo die Resonanz- frequenz, N eine ganze Zahl, V die Schallgeschwindigkeit, und d der Abstand zwischen den Gitterrillen jedes Reflektors ist. Wenn das Substrat mechanisch geformt wird, ändert sich sowohl die Geschwindigkeit V als auch der Abstand d. Daher bewirkt die Deformation eine proportionale Änderung der Resonatorfrequenz.
Bei kristallinen Quarzsubstraten scheint der Hauptbeitrag für die Frequenzverschiebung durch die Oberflächenspannung des Material es verursacht zu werden. Da das Material Spannungen unterliegt, ändern sich die elastischen Konstanten des Material es, wodurch sich die Geschwindigkeit der Welle ändert, die auf der Oberfläche des Materiales verläuft. Zusätzlich ändert sich der Abstand d infolge der physikalischen Verformung des Substrates.
Gemäß Figur 2 wird das Substrat 10 an einer starren Halterungseinrichtung 20 verankert und nimmt am gegenüberliegenden Ende eine Ersatzkraft F auf. Die auf die Oberfläche des Substrates wirkende Kraft kann von irgendeiner Einrichtung abgeleitet werden und über der ganzen Fläche wirken, wenn dieses bei bestimmten Anwendungen gewünscht wird. Somit wird die resultierende Ersatzkraft durch die Wirkungen einer externen die Schwingung anregenden Kraft erzeugt, die entweder verteilt oder punktweise auf das Substrat wirkt. Der Oszillator 16 ist mit dem Umformer 14 verbunden und bildet einen Spannungsmeßfühler 22. Wenn der Meßfühler 22 einer Biegespannung unterworfen wird, nimmt dessen Schwingfrequenz gemäß Figur 4 ab. Falls der Resonator eine Biegedruckbelastung ausgesetzt wird, indem beispielsweise die resultierende Ersatzkraft F in der anderen Richtung wirkt, nimmt die Frequenz zu. In beiden Fällen ist die von der aufgebrachten Kraft abhängige Frequenzänderung ungefähr linear und in der Größenordnung von 55 Hz/gm.
Wie schematisch in Figur 3 angedeutet ist, ist das Substrat 10 einer axialen Zugspannung ausgesetzt. Die Frequenzänderung als Funktion der Spannung ändert sich wiederum linear, jedoch ist der Betrag der Anderung je aufgebrachter Kraft (Empfindlichkeit) kleiner bei dieser Anordnung und zwar in der Größenordnung von 12 Hzigm.
Gemäß Figur5 umfaßt der Druckmeßfühler 50 einen Körper 51 und eine Quarzmembran 52 mit Reflektoren 53 und 54.
Falls die Reflektoren 53 und der Meßumformer 54 sich auf der Seite der Membran 52 befinden, die dem Körper 51 gegenüberliegt, d.h. in dem dazwischenliegenden Hohlraum, nimmt die Frequenz ab, wenn der auf die Membran ausgeübte Druck zunimmt. Umgekehrt nimmt die Frequenz im Vakuum zu. Die Frequenzänderungen verlaufen ungefähr linear mit dem aufgebrachten Druck gemäß Figur 6, und die Empfindlichkeit liegt in der Größenordnung von 9 Hz/mmHg. Auf die Membran dieses Meßumformers wird eine Kraft ausgeübt, indem der Körper 51 beschleunigt wird, so daß eine Einrichtung zum Messen der Beschleunigung, also ein Beschleunigungsmesser, geschaffen wird.
Schließlich hat ein Meßfühler gemäß Figur 7, der ähnlich demjenigen in Figur 2 ist, einen Resonator auf jeder Fläche des Substrates, um eine differentielle Empfindlichkeit über den Mischer 70 zu erhalten. Ein Druckmeßfühler mit differentieller Emofindlichkeit kann auch hergestellt werden, indem ein Resonator auf jeder Oberfläche der Membran vorgesehen wird. Die Temperaturempfindlichkeit wird bei einem differentiellen Aufbau wesentlich herabgesetzt entsprechend US-Patent 3 878 477, auf dessen Inhalt Bezug genommen wird.
Durch die Verwendung eines kristallinen Quarzes als Substratmaterial kann ein Temperaturmeßfühler mit einem Akustik-Oberflächenwellenresonator hergestellt werden, in welchem die kristallographische Ausrichtung des Substrates derart ausgewählt wird, daß die gewünschte Temperaturempfindlichkeit erreicht wird. Bei solchen Temperaturmeßfühlern muß das Substrat gegenüber mechanischen Spannungen durch geeignete Halterung isoliert sein, indem beispielsweise ein elastischer Klebstoff verwendet wird, wenn das Substrat an einer flachen Oberfläche befestigt wird.
Die folgenden Abmessungen einer Ausführungsform eines Temperaturmeßfühlers haben sich als besonders zweckmäßig herausgestellt: Falls die Resonanzfrequenz in der Größenordnung von einigen hundert MHz liegti kann die Gesamtlänge beispielsweise 10 mm betragen. Das Substrat kann sehr dünn, beispielsweise in der Größenordnung von 0,6 nm sein, um eine hohe thermische Ansprechgeschwindigkeit zu erreichen. Die Breite des Substrates ist ebenfalls klein, und zwar in der Größenordnung von 4 mm, um ein schmales längliches Blickfeld für den Temperaturmeßfühler zu erhalten.
Wenn das Substrat Quarz ist, schwankt der frequenzabhängige Temperaturkoeffizient erster Ordnung für einen SAW-Resonator im Bereich i 50 10 0C in Abhängigkeit von der kristallinen Ausrichtung und der Ausbreitungsrichtung der Wellen. Falls eine Ausrichtung bei einem Temperaturkoeffizienten von +25 10 6/0C bei einer Betriebsfrequenz von 150 MHz gewählt wird, beträgt die Empfindlichkeit des Meßfühlers etwa 3 750 Hz/OC. Die spezifische Ausrichtung hängt von der gewünschten Empfindlichkeit, Linearität und dem Meßbereich sowie von dem Wirkungsgrad der Ausbreitung der Akustik-Oberflächenwellen für die gewählte Kristallausrichtung ab.
Wie sich aus Figur 1 bis 3 und 7 ergibt, hat die Kraft F wenigstens eine Komponente, die rechtwinklig auf die Oberfläche des Substrates einwirkt, auf welchem der Resonator angeordnet ist. Natürlich kann eine derartige Kraft bzw. deren Komponenten auch auf irgendeine Oberfläche des Substrates ausgeübt werden, die parallel zu derjenigen Fläche ist, auf welcher ein Resonator angeordnet ist.

Claims

P A T E N T A N S P R O C H E l.)Meßfühler für mechanische Spannungen, dadurch g e k e n n -ze zei c h n e t , daß dieser ein Substrat (10) aus piezoelektrischem Material enthält, ein erster Akustik-Oberflächenwellen-Resonator auf einer Oberfläche des Substrates angeordnet ist, eine Halteeinrichtung (20) zur festen Halterung des Substrates gegenüber auf dieses ausgeübten Kräften vorgesehen ist und die Resonanzfrequenz des Resonatorsignales proportional mit der mechanischen Spannung veränderlich ist.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Resonator (22) wenigstens einen Meßumformer (14) und wenigstens zwei Reflektoren (12) aufweist, welche einen akustischen Resonanzraum und einen Oszillator ausbilden, und daß der Meßumformer das Erregungssignal vom Oszillator (16) einkoppelt und das Resonanzsignal vom Resonanzraum abtastet.
3. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Reflektoren als äquidistante Diskontinuitäten in der Oberfläche des Substrates (10) ausgebildet sind.
4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Reflektoren Dünnfilmgitter (12) aufweisen.
5. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Reflektoren Nuten in der Oberfläche des Substrates (10) aufweisen.
6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß in den Nuten Metall aufgebracht ist.
7. Meßfühler nach Anspruch 2 oder 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Meßumformer (14) im Dünnfilm- verfahren hergestellt und kammartig ineinandergreifend ausgebildet ist.
8. Meßfühler mit einem Akustik-Oberflächenwellen-Resonator, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß dieser ein Substrat (10) aus piezoelektrischem Material aufweist, wenigstens zwei Reflektoren (12) auf einer Fläche des Substrates angeordnet sind, ein Oszillator (16) und wenigstens ein Meßumformer (14) nahe den Reflektoren angeordnet sind und einen Akustik-Oberflächenwellen-Resonator ausbilden und eine Halterungseinrichtung (20) das Substrat gegenüber auf dieses ausgeübten Kräften festhält und die Frequenz des Resonatorsignales proportional der angelegten Spannung veränderlich ist.
9. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Meßumformer (14) zwischen den Reflektoren (12) angeordnet ist.
10. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e tt , daß der Meßumformer (14) und die Reflektoren (12) koplanar angeordnet sind.
11. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Substrat (10) im allgemeinen länglich ausgebildet ist und erste und zweite planare Flächen aufweist, deren Längsausdehnung größer als deren Breite ist, das Substrat (10) in der Halterungseinrichtung (20) derart ausgerichtet ist, daß das eine Ende starr eingeklemmt ist und ein einseitig eingespannter Träger gebildet wird, der eine Achse längs der Längsausrichtung des Substrates hat, und der erste Resonator auf der ersten Fläche ausgebildet ist und die Akustik-Oberflächenwelle im wesentlichen entlang der Achse des einseitig eingespannten Trägers weiterleitet.
12. Meßfühler nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein zweiter Akustik-Oberflächenwellen-Resonator sowie eine Mischeinrichtung (70) zur Temperaturkompensation vorgesehen sind, das Substrat in einerHalterungseinrichtung angeordnet ist und auf eine senkrecht zu dessen planarerOberfläche gerichtete Kraftkomponente anspricht, der zweite Resonator auf der zweiten Oberfläche des Substrates angeordnet ist und die Mischeinrichtung mit den ersten und zweiten Resonatoren gekoppelt ist und deren Signale zu einem resultierenden Signal verbindet, dessen Frequenz ein Maß für die Differenz Frequenz der ersten und zweiten Resonatorfrequenzen ist. (Figur 7)
13. Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die resultierende Signalfrequenz direkt proportional der Größe der auf das Substrat ausgeübten Kraftkomponente ist.
14. Meßfühler, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß dieser ein Substrat (10) aus piezoelektrischem Material enthält, ein Akustikoberflächenwellen-Resonator auf einer Fläche des Substrates angeordnet ist und eine Halterungseinrichtung (20) das Substrat hält, so daß es auf die Umgebungstemperatur anspricht, in welcher es gehalten ist, und das Substrat gegenüber mechanischen Spannungen isoliert und die Frequenz des Resonatorsignales sich proportional den Anderungen der Umgebungstemperatur ändert.
15. Meßfühler nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der frequenzabhängige Temperaturkoeffizient erster Ordnung für den Resonator im Bereich von f 50 10-6/ OC liegt.
16. Meßfühler nach Anspruch 15, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Substrat aus Quarz besteht.
17. Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die resultierende Signalfrequenz direkt proportional der Größe der rechtwinklig auf das Substrat wirkenden Kraftkomponente ist.