CH677559A5

CH677559A5 -

Info

Publication number: CH677559A5
Application number: CH4111/88A
Authority: CH
Inventors: Guenter Dr Engel; Peter W Dr Krempl; Helmut List
Original assignee: Avl Verbrennungskraft Messtech
Priority date: 1987-11-19
Filing date: 1988-11-04
Publication date: 1991-05-31
Also published as: ATA305787A; AT389170B; DE3838014C2; US4902926A; DE3838014A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Messelement, zur Messung mechanischer Grössen, insbesondere zur Messung von Kraft, Druck oder Beschleunigung, mit zumindest zwei Kristallelementen, aus Kristallen der Punktsymmetrieklasse 32, bei welchen entgegengesetzte Enantiomorphie-Typen L und R existieren, wobei die Kristallelemente gemeinsam von der zu messenden mechanischen Grösse, beaufschlagbar sind und an gegenüberliegenden, im wesentlichen senkrecht zu ihren elektrischen (x) Achsen angeordneten Oberflächen leitend anliegende Elektroden aufweisen.

Aus Kristallelementen zusammengesetzte piezoelektrische Messelemente sind sowohl unter Ausnutzung des longitudinalen als auch des transversalen Piezoeffektes bekannt. Diese Messelemente bestehen aus mehreren zu einem Schichtkörper übereinander geschichteten Kristallelementen, zwischen denen Elektroden zur Ableitung der elektrischen Ladungen vorgesehen sind, wobei die Elektroden gleicher Ladung leitend miteinander verbunden sind.

So ist beispielsweise aus der AT-PS 271 947 ein Messelement der eingangs genannten Art bekannt, bei welchem die scheibenförmig ausgebildeten Einkristallelemente mit ihren optischen (z) Achsen parallel zueinander verlaufend im Messelement angeordnet sind. Damit ist erreicht, dass bei Erwärmen des Messelementes die Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Scheiben in allen Richtungen gleich sind und Verspannungen an den Trennflächen zwischen den Scheiben vermieden werden. Die Krafteinleitung erfolgt in diesem Fall parallel zur elektrischen (x) Achse, wobei die piezoelektrische Empfindlichkeit durch den Piezomodul du beschrieben wird. Zur Ladungsableitung sind hier die Elektroden jeder Seite der einzelnen Scheiben mit Verlängerungen versehen, die durch Bohrungen im Einkristall auf die jeweils gegenüberliegende Seite reichen, und dort umgestülpt sind und mit für die Isolierung notwendigem Abstand in eine Aussparung der dortigen Elektrode des benachbarten Kristallelementes passen. Durch die parallel zueinander verlaufenden z-Achsen können zwar jene Kräfte minimiert werden, die bei allfälliger Erwärmung des Messelementes aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der Kristallelemente in der y- und z-Richtung an den Trennflächen zwischen zwei Kristallelementen entstehen; störende Ladungen aufgrund von mechanischen Scherspannungen im Messelement, welche aus dem piezoelektrischen Schereffekt (Piezokoeffizient du) resultieren, können dadurch jedoch nicht vermieden werden.

Das aus der AT-PS 382 968 bekannte Messelement löst das Problem der Ladungssammlung und Abfuhr aus dem Messelement folgendermassen: Die Elektroden der einzelnen Einkristallelemente liegen hier jeweils paarweise aneinander, wobei der Schichtkörper aussen Verbindungsbrücken für die Elektroden gleichnamiger Ladungen aufweist. In der Umgebung der Verbindungsbrücken weisen die zur jeweils anderen Ladung gehörigen aneinanderliegenden Elektroden zweier benachbarter Kristallelemente jeweils Ausnehmungen auf. Die Verbindungsbrücken zwischen den einzelnen gleichnamigen Elektroden sind seitlich am Schrchtkörper aufgedampft. Falls die optische (z) Achse mit jener Ebene, welche durch die am Schichtkörper gegenüberliegend angeordneten Verbindungsbrücken aufgespannt ist, einen Winkel s 40° einschliesst, kann ein Grossteil der Störsignale, die aufgrund von transversalen Piezoeffek-ten beim Auftreten von Kräften normal zur x-Achse entstehen können, vermieden werden. Zwangsläufig werden jedoch auch hier jene Ladungen addiert, welche durch unbeabsichtigte aber dennoch nicht zu vermeidende Scherspannungen im Messelement über den piezoelektrischen Schereffekt entstehen und durch keine der in den obengenannten Schriften angegebenen Massnahmen vermieden werden können.

Ähnlich ist die Situation bei Messwertaufnehmern, die den transversalen piezoelektrischen Effekt ausnützen. Wie beim longitudinalen Effekt erfolgt auch hier die elektrische Polarisation parallel zur x-Achse. Der wesentliche Unterschied liegt in der Krafteinleitung, welche zur Ausnutzung des transversalen Piezoeffektes parallel zur y-Achse erfolgt. Da eine Krafteinleitung parallel zur z-Achse keine dielektrische Verschiebung hervorruft, der Kristall also gegen Krafteinwirkung parallel zur optischen Achse unempfindlich ist, muss man bei Ausnutzung des transversalen Piezoeffektes darauf achten, dass die Krafteinwirkung möglichst parallel zur y-Achse des Kristalls erfolgt. Werden mehrere Kristallstäbe bzw. Kristallelemente in einem Messwertaufnehmer auf dem Prinzip des transversalen Piezoeffektes verwendet, so muss aus den genannten Gründen stets auf die Orientierung der y-Achse bzw. der z-Achse grossen Wert gelegt werden. Auch hier treten in der x-y-Ebene unkompensierte Scherspannungen auf, die das Messergebnis verfälschen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messelement der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei welchem trotz einfachem Aufbau der Einfluss von Fehlladungen aufgrund des piezoelektrischen Schereffektes minimiert werden kann, wobei eine geringe Störempfindlichkeit bezüglich thermischer und mechanischer Beanspruchung erhalten bleiben soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Teil der verwendeten Kristallelemente einem bestimmten Enantiomorphie-Typ L oder R angehört und eine der beiden Absolutorientierungen der x-Achse «t oder az aufweist und die übrigen Kristallelemente dem entgegengesetzten Enantiomorphie-Typ angehören und die entgegengesetzte Absolutorientierung der x-Achse aufweisen. Damit kann trotz eines von Null verschiedenen Koeffizienten du in der Piezomatrix von Kristallen der Punktgruppe 32 eine bisher nicht für möglich gehaltene Eliminierung des Einflusses der genannten Schereffektladungen erfolgen.

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Der Ausdruck Enantiomorphie ist in der Kristallographie ein gängiger Ausdruck und bedeutet, dass einige Kristalle der Kristallklasse 32, z.B. a-Quarz und seine Homöotypen in zwei möglichen Raumgruppen kristallisieren können, die mit P3221 und mit P3i21 bezeichnet werden. Die beiden Formen, die bei Quarz als Brasilianer-Zwillinge bekannt sind, unterscheiden sich beispielsweise durch die Orientierung der Drehung der Polarisationsebene von Licht und werden daher mit L für links- bzw. R für rechtsdrehend bezeichnet. Die beiden möglichen Absolutorientierungen der x-Achse ai und az ergeben bei Quarz die aus der Kristallographie bekannten Zwillinge vom Dauphinée-Typ. Wichtig ist in diesem Zusammenhang eine konsistente Achsenbezeichnung. Diese ist hier und im folgenden so gewählt, dass für einen Rechtskristall die positive x-Richtung derart bestimmt und als +x-Achse bezeichnet wird, dass bei positiver Scherung eine positive Ladung abgegeben wird. Davon ausgehend ergeben sich die anderen Achsen und Vorzeichen.

Aus der untenstehenden Tabelle 1 sind die Vorzeichen der Ladungsabgabe in die +x-Richtung für den longitudinalen Piezoeffekt (du) und den piezoelektrischen Schereffekt (du) ersichtlich.

Tabelle 1

Vorzeichen der Ladungsabgabe in die +x-Richtung

Enantiomorphie Absolutorientierung du du Variante der x-Achse

R (rechts)

ort

+

I

<x2

-

+

II

L (links)

a1

-

II

«2

+

-

I

Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, können in einer Variante l Rat und Lcc2-Kristallelemente oder in einer Variante II Roc2 und Lai-Kristallelemente kombiniert werden. Durch eine entsprechende Wahl der äusseren Abmessungen, beispielsweise der Dicke der einzelnen Kristallelemente, sowie der Grösse der Elektrodenflächen auf den im wesentlichen normal zu den elektrischen Achsen stehenden Oberflächen können die aufgrund des Schereffektes entstehenden Ladungen vollkommen kompensiert werden.

Für die meisten Anwendungen sind jedoch alle Kristallelemente eines Messelementes bezüglich ihrer Abmessungen und Elektrodenflächen völlig gleichartig aufgebaut, sodass in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass jeweils die Hälfte der Kristallelemente entgegengesetzten Enantiomor-phie-Typen L und R angehören und entgegengesetzte Absolutorientierungen der x-Achsen ai und az aufweisen.

Um auch inhomogen über den Kristallelementstapel verteilte Scherspannungen optimal kompensieren zu können, ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass jeweils zwei benachbarte Kristallelemente entgegengesetzten Enantiomorphie-Typen L und R angehören und entgegengesetzte Absolutorientierungen der x-Achsen ai und az aufweisen, wobei jedes Paar von Kristallelementen aus einem L<x2~ und einem Rai-Typ bzw. einem Ra2- und einem Lai-Typ besteht.

Der erfindungsgemässe Gedanke lässt sich sowohl in Ausnützung des longitudinalen, als auch des transversalen Piezoeffektes anwenden, wenn im longitudinalen Fall bei einem Teil, vorzugsweise der Hälfte, der Kristallelemente des Messelementes die Einleitung der zu messenden Grösse Tt parallel zur x-Achse und bei den übrigen antiparallel zur x-Achse erfolgt, bzw. im transversalen Fall die optischen z-Achsen parallel zueinander ausgerichtet im Messelement (1) angeordnet sind und die Einleitung der zu messenden Grösse Tz normal auf die von den Achsen x und z aufgespannte Ebene der einzelnen Kristallelemente des Messelementes erfolgt. Falls das Messelement in einer Umgebung verwendet wird, wo lediglich geringe Temperaturdifferenzen auftreten und somit unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Kristallelemente in den einzelnen Achsrichtungen nicht berücksichtigt werden müssen, können -unter Ausnutzung des longitudinalen Piezoeffektes - die z-Achsen der Kristallelemente zueinander beliebige Richtungen aufweisen.

Zur Erhöhung der Signalgüte und zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses kann erfin-dungsgemäss vorgesehen sein, dass mehrere zumindest zwei Kristallelemente umfassende Teilstapel zu einer Einheit zusammengefasst sind.

Vorteile für die Ladungsableitung und die Anbringung der die gleichnamigen Elektroden zusammenfassenden Verbindungsbrücken ergeben sich für eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, wenn ein den transversalen Piezoeffekt ausnutzendes Messelement zumindest drei Teilstapel aufweist, welche kreisförmig um eine zur zu messenden Grösse Tz parallele Achse angeordnet sind, wobei die x-Achsen der einzelnen Kristallelemente parallel oder antiparallel zum Radius des Messelementes und die z-Achsen der Teilstapel jeweils parallel zueinander angeordnet sind.

Kristallelemente, welche sich sowohl in ihrer Raumgruppe bzw. Enantiomorphie als auch in der Absolutorientierung der x-Achsen unterscheiden, können nicht aus einem Rohkristallbarren geschnitten wer3

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den. Um so mehr muss darauf geachtet werden, dass die einzelnen Kristallelemente möglichst gleiche physikalische Eigenschaften aufweisen. Erfindungsgemäss wird deshalb vorgeschlagen, dass jedes der Kristallelemente zur Gänze aus einer bestimmten Wachstumszone eines Rohkristallbarrens stammt und frei von Zonengrenzen ist. Beim Wachstum von Kristallen, beispielsweise eines synthetischen Quarzkristalls entwickeln sich bekanntlich typische Wachstumszonen, welche mît X, S und Z bezeichnet werden. Sichtbar gemacht werden diese Zonen mittels Hitzebehandlung, Bestrahlung mit harter Röntgenstrahlung oder mittels Röntgentopographie.

Mit Hilfe der letztgenannten Methode sieht man auch, dass die Grenzen zwischen den einzelnen Wachstumszonen eine erhöhte Versetzungsliniendichte besitzen. Diese Kristalldefekte sind insbesondere in Messwertaufnehmern mit vergleichsweise hoher thermischer und mechanischer Belastung der Kristallelemente Ausgangspunkte für Bruch- oder Rissbildung. Die Vermeidung von Zonengrenzen in den einzelnen Kristallelementen eines Messelementes führt somit zu den eingangs geforderten Verbesserungen.

Aufgrund der unterschiedlichen Wachstumsgeschwindigkeiten der einzelnen Zonen sind bei Quarz vor allem die +x- und die Z-Zonen von Interesse, wobei letztere aufgrund ihrer grösseren Wachstumsrate im allgemeinen grössere Abmessungen aufweisen als die +x-Zonen und bevorzugt zur Erzeugung von Kristallelementen herangezogen werden.

Bei der Verwendung von GaP04 werden vor allem R-Zonen herangezogen, welche sich dadurch auszeichnen, dass die Wachstumsfläche dieser Wachstumszonen eine Rhomboederfläche ist.

Schliesslich ist in einer weiteren Verbesserung vorgesehen, dass jene Kristallelemente, die demselben Enantiomorphie-Typ angehören und dieselbe Absolutorientierung aufweisen aus einem Rohkristallbarren stammen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Messelement nach der Erfindung in Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine andere Ausgestaltung eines Messelementes geschnitten nach Linie ll-li in Fig. 3 und

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Messelement nach Fig. 2.

Zur Vermeidung von Ladungsbeiträgen aufgrund von Scherspannungen werden bei einem den longitudinalen Piezoeffekt ausnützenden Messelement 1 die beispielsweise scheibenförmigen Kristallelemente 2 in Fig. 1 derart gestapelt, dass benachbarte Kristallelemente 2 entgegengesetzten Enantiomorphie-Ty-pen L und R (z.B. Linksquarz und Rechtsquarz) sowie unterschiedlichen Absolutorientierungen der x-Achse (Dauphinee-Typen) ai und az angehören. Neben der in Fig. 1 dargestellten Variante I nach Tabelle 1, in welcher sich Lce- mit Rai-Typen abwechseln, ist es natürlich auch möglich in einer hier nicht dargestellten Variante II Lai und Ra2-Typen paarweise zu kombinieren. Die Einleitung der zu messenden Grösse Tt erfolgt hier parallel bzw. antiparallel zu den positiven x-Richtungen der einzelnen Kristallelemente. Gegenüberliegende Flächen der Kristallelemente 2 sind jeweils mit Elektroden 3,4 versehen, welche durch bekannte Verfahren, beispielsweise durch Aufdampfen, mit dem Kristallelement verbunden sind. An gegenüberliegenden Aussenflächen des Messelementes 1 sind die die jeweils gleichnamigen Elektroden 3 bzw. 4 zusammenfassenden Verbindungsbrücken 5 bzw. 6 angeordnet. Nähere Details für die Elektrodenanordnung sind aus der eingangs genannten AT-PS 382 968 ersichtlich.

Auf der linken Seite des Messelementes 1 sind die Vorzeichen der Ladungen, welche dem longitudinalen Piezoeffekt (du) zugrundeliegen, eingetragen, auf der rechten Seite jene im Zusammenhang mit dem piezoelektrischen Schereffekt (du). Man sieht, dass sich die Ladungen auf der rechten Seite bei einer geraden Anzahl von Kristallelementen 2 sowohl für die positive Elektrode 6 als auch für die negative 5 aufheben, wobei auf die Tabelle 1 verwiesen wird, in welcher die Vorzeichen der Ladungsabgabe in die +x-Richtung ersichtlich sind. Im Gegensatz zur hier dargestellten Anordnung ist es auch möglich, die Z-Achsen der Kristallelemente 2 nicht parallel zueinander auszurichten.

In den Fig. 2 und 3 ist ein Messelement 1 dargestellt, welches den transversalen Piezoeffekt ausnützt und insgesamt seGhs Teilstapel 7 mit jeweils zwei Kristallelementen 2 aufweist. Die einzelnen Teilstapel 7 sind kreisförmig um eine zur zu messenden Grösse Tz parallele Achse 8 angeordnet, wobei die x-Achse der einzelnen Kristallelemente parallel bzw. antiparallel zum Radius des Messelementes 1 angeordnet sind. In den einzelnen Teilstapeln 7 sind jeweils La2- und Rai-Kristallelemente paarweise angeordnet. Die die negativen Ladungen abführenden Verbindungsbrücken 5 werden durch die in Fig. Z ersichtliche elektrische Leitung 9 sowie die für die positiven Ladungen verantwortlichen Verbindungsbrücken 6 durch eine in Fig. 3 dargestellte Ringleitung 10 zusammengefasst. Kompensiert wird hier die Scherspannung T4 in der x-y-Kristallebene, gemessen wird über den Piezokoeffizienten dia.

Es ist auch möglich, bei Kristallelementen mit unterschiedlichen äusseren Abmessungen, bzw. bei Vorliegen räumlich inhomogener Scherspannungen, mit Hilfe des Erfindungsgedankens, bzw, durch die Wahl unterschiedlich grosser Elektrodenflächen für eine Kompensation der Schereffektladungen zu sorgen.

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Claims

Patentansprüche

1. Piezoelektrisches Messelement, zur Messung mechanischer Grössen, insbesondere zur Messung von Kraft, Druck oder Beschleunigung, mit zumindest zwei Kristallelementen, aus Kristallen der Punktsymmetrieklasse 32, bei welchen entgegengesetzte Enantiomorphie-Typen L und R existieren, wobei die Kristallelemente gemeinsam von der zu messenden mechanischen Grösse, beaufschlagbar sind und an gegenüberliegenden, im wesentlichen senkrecht zu ihren elektrischen (x) Achsen angeordneten Oberflächen leitend anliegende Elektroden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der verwendeten Kristallelemente (2) einem bestimmten Enantiomorphie-Typ L oder R angehört und eine der beiden Absolutorientierungen der x-Achse ai oder az aufweist und die übrigen Kristallelemente (2) dem entgegengesetzten Enantiomorphie-Typ angehören und die entgegengesetzte Absolutorientierung der x-Achse aufweisen.

2. Piezoelektrisches Messelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Hälfte der Kristallelemente (2) entgegengesetzten Enantiomorphie-Typen L und R angehören und entgegengesetzte Absolutorientierungen der x-Achsen <xi und az aufweisen.

3. Piezoelektrisches Messelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte Kristallelemente (2) entgegengesetzten Enantiomorphie-Typen L und R angehören und entgegengesetzte Absolutorientierungen der x-Achsen on und a2 aufweisen, wobei jedes Paar von Kristallelementen (2) aus einem L<*2- und einem Ra-t-Typ bzw. einem Ra2- und einem Lai-Typ besteht.

4. Piezoelektrisches Messelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Teil, vorzugsweise der Hälfte, der Kristallelemente (2) des Messelementes (1), die Einleitung der zu messenden Grösse (Ti) parallel zur x-Achse und bei den übrigen antiparallel zur x-Achse erfolgt.

5. Piezoelektrisches Messelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen (z) Achsen parallel zueinander ausgerichtet im Messelement (1) angeordnet sind und die Einleitung der zu messenden Grösse (T2) normal auf die von den Achsen x und z aufgespannte Ebene der einzelnen Kristallelemente (2) des Messelementes (1) erfolgt.

6. Piezoelektrisches Messelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zumindest zwei Kristallelemente (2) umfassende Teilstapel (7) zu einer Einheit zusammengefasst sind.

7. Piezoelektrisches Messelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein den transversalen Piezoeffekt ausnutzendes Messelement (1) zumindest drei Teilstapel (7) aufweist, welche kreisförmig um eine zur zu messenden Grösse (T2) parallele Achse (8) angeordnet sind, wobei die x-Ach-sen der einzelnen Kristallelemente (2) parallel oder antiparallel zum Radius des Messelementes (1) und die z-Achsen der Teilstapel (7) jeweils parallel zueinander angeordnet sind.

8. Piezoelektrisches Messelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Kristallelemente (2) zur Gänze aus einer bestimmten Wachstumszone eines Rohkristallbarrens stammt und frei von Zonengrenzen ist.

9. Piezoelektrisches Messelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jene Kristallelemente (2), die demselben Enantiomorphie-Typ angehören und dieselbe Absolutorientierung aufweisen, aus einem Rohkristallbarren stammen.

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