DE1945373A1 - Verfahren und Einrichtung zur Kompensation des pyroelektrischen Effektes an elektromechanischen Wandlern,insbesondere Ferroelektrika - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtung zur Kompensation des pyroelektrischen Effektes an elektronechunischen Wandlern, insbesondere Ferroelektrika Metra Meß- und Frequenztechnik Rndebeul 1 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation des pyroelektrischen Effektes an elektromechanischen Wandlermaterialien, insbesondere Ferroelektrika, und piezoelektrische Elemente aus pyroelektrischem Material zur Ausführung des Verfahrens.
• Von den in der Natur vorkommenden Kristallen ist eine Anzahl piezoelektrisch, ihnen fehlt ein-Symmetriezientrum. Sie können in pyroelektrische und nicht-pyroelektrische unterteilt werden.
• Pyroelektrische Kristalle haben eine permanente makroskopische elektrische Polarisation. Der Polarisationsvektor wird im allgemeinen durch gebundene Ladungen kompensiert. Ändert sich der Energiezustand des Kristallgitters, so ändert sich auch sein Polarisationsvektor. Infolge von mechanischer Verformung oder infolge von Temperaturänderungen des Gitters ändert sich damit die Anzahl der zur Kompensation des Polarisationsvektors notwendigen Ladungen. Der Kristall wirkt dann nach außen nicht mehr neutral, solange durch Ladung ausgleich kein neuer Gleichgewichtszustand eingetreten ist.
• Bei der Anwendung piezoelektrischer Materialien in elektromechanischen Wandlern ist es notwendig, daß die Ladungsänderungen an den Elektroden des Wandlerelementes seinem mechanischen Spannungs- oder Dehnungszustand nach einer bekannten Funktion zugeordnet sind; angestrebt wird Linearität.
• Handelt es sich um pyroelektrische Stoffe, kommen an den Elektroden bei Temperaturschwankungen zusätzliche Iadungsänderungen zustande.
• Der pyroelektrische Effekt stört wenig, wenn die zu messenden,mechanischen Zustandsänderungen genügend schneller verlaufen als die thermischen. Dann werden mit Hilfe eines Hochpasses nur die schnellen Ladungsänderungen registriert, und deren Zuordnung zur mechanischen Meßgröße ist in gewissen Grenzen vom thermischen Zustand des Wandlerelementes unabhangig.
• Kommen die zeitlichen Änderungen von Temperatur und mechanischer Meßgröße aber in die gleiche Größenordnung, so ist eine Signaltrennung praktisch unmöglich.
• Bisher verwendete man für sehr tieffrequente Vorgänge Quarz als Aufnehmermaterial, weil Quarz unter anderem den Vorteil aufweist, zu einer nicht-pyroelektrischen Kristallklasse zu gehören. Andererseits besitzt Quarz aber eine viel geringere Dielektrizitätskonstante als Piezokeramik. Auch ist die Fertigung von mit Quarz bestückten Wandlern sehr aufwendig.
• Die Erfindung bezweckt, die Vorteile der stets pyroelektrischen Ferroelektrika (insbesondere der keramischen Werkstoffe) für tieffrequente Megprobleme ausnutzen zu kannen Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dabei' auftretenden Störsignale zu unterdrücken.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Wandler mehrere elektrische Einzelelemente zusammengeschaltet sind, die mechanisch gegenphasig angeregt werden und durch einen mittels Variierung der Elektrodenfläche eines der beiden Elemente oder durch Nachpolarisation eines Elementes erreichten gezielten Kompensationsabgleich insgesamt einen minimalen pyroelektrischen Effekt ergeben.
• Die zur Ausübung dieses Verfahrens geeignten piezoelektrischen Elemente aus pyroelektrischem Material besitzen erfindungsgemäß außer dem normalerweise üblichen Elektrodenpaar ein zweites Elektrodenpaar entsprechender Größe, welches mit dem ersten Elektrodenpaar so zusammengeschaltet ist, und dessen Flächenvektoren zu denen des ersten Elektrodenpaares eine solche Lage einnehmen, daß eine Komponente des remanenten Polarisationsvektors im technischen Sinne kompensiert wird.
• Die Erfindung eignet sich sowohl für elektromechanische Wandler, die den longitudinalen piezoelektrischen Effekt, als auch für solche, die den transversalen piezoelektrischen Effekt pyroelektrischer Materialien ausnutzen sowie für elektromechanische Wandler, die den piezoelektrischen Effekt bei mechanischer Schubbelastung von pyroelektrischen Materialen ausnutzen. Sie ist außer bei elektromechanischen Wandlern auch anwendbar bei anderen Instrumenten, bei denen mehrere Elemente im Sinne der Erfindung miteinander kombiniert werden.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: den longitudinalen piezoelektrischen Effekt an einem Piezoelement, Fig. 2: den transversalen piezoelektrischen Eftekt an einem Piezoelement, Fig. 3: eine dem Verständnis des pyroelektrischen Effektes an einem Piezoelement dienende Darstellung, Fig. 4: die erfindungsgemäße Kompensation von ladungsänderungen pyroelektrischer HerkunSt an Piezoelementen, Fig. 5 Wandler, die den piezoelektrischen und 6t Effekt bei Schubbelastung ausnutzen.
• Im Gegensatz zu Fig. 5 und 6 zeigen die Fig. 1 bis 4 schematisch Wandler, die den longitudinalen oder den transversalen piezoelektrischen Effekt ausnutzen.
• In Fig. 3 bilden die Koordinatenachsen 1; 2; 3 ein rechtwinkliges System. Richtung 3 sei die Richtung des Polisationsvektors und gleichzeitig die Richtung des Elektroden-Flächenvektors. Die Richtungen 1; 2 sind wegen Kristallasymmetrie gleichberechtigt.
• Die' obere Elektrode 4 trage n1 gebundene positive Ladungen, die untere Elektrode 5 n1 negative Ladungen.
• Eine Erwärmung (Symbol # 0 ) der Piezoscheibe bewirkt eine Abnahme des Betrages des Polarisationsvektors, dh. #es werden an der oberen Elektrode 4 positive (+α1n1 ) zu und an der unteren Elektrode 5 negative Ladungen (-α1n1 ) frei. (0<α<1 ) Eine zweite scheibe gemäß Fi ? liefere infolge der Erwärmung # @ ebenfalls freie Ladungen Dann erfolgt erfindungsgemäß nach Fig. 4 eine Kompensation des pyroelektrischen Effektes ( # Q as 0 ° ) wenn erreicht wird.
• Die Kompensationsbedingung (Fig. 4) kann in gewissen Grenzen erfüllt werden, indem a) die Elektrodenfläche einer der beiden Scheiben 6; 7 variiert wird oder b) durch Nachpolarisation einer Scheibe deren pyroelektrischer Koeffizient p verändert wird.
• (p ist ein Maß für die freiwerdenden Ladungen infolge einer Temperaturänderung und unter anderem abhängig vom Betrag des remanenten Polarisationsvektors. Letzterer kann bei ferroelektrischen Stoffen durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes variiert werden.) Es können selbstverständlich auch mehr als zwei Piezoelemente im Sinne der Fig. 4 zusammengeschaltet werden.
• Damit bei der Kompensation nach Fig. 4 nicht auch das Nutzsignal ( A Q infolge mechanischer Belastung) verschwindet, sind die beiden Tabletten 6; 7 mechanisch gegenphasig anzuregen.
• Fig. 5 veranschaulicht die Lage der elektrischen und mechanischen Koordinaten bei Ausnutzung des Schubeffektes an einem Piezoelement.
• Wenn der Polarisationsvektor genau senkrecht zum Flächenvektor der Elektroden 4; 5 liegt, können bei Temperaturänderungen auf den Elektroden keine freien Ladungen entstehen (wohl aber infolge einer Schubbelastung nach Fig. 5). Dieser Idealfall ist praktisch nicht zu erreichen. Der Polarisationsvektor hat stets eine Kom--ponente in Richtung des Elektroden-Flächenve kt ors d.h. es treten pyroelektrische Störungen auf.
• Fig. 6 veranschaulicht die erfindungsgemäße Kompensation einer Komponente des Polarisationsvektors mittels Kompensationselektroden an Piezoelementen.
• Die Komponente des Polarisationsvektors in Richtung des Hauptelektroden-Flächenvektors wird gemäß der Erfindung dadurch kompensiert, daß mittels eines zweiten Elektrodenpaares 8; 9 (Eompensationselektroden), dessen Plächenvektoren eine geeignete Orientierung zum Vektor der Hauptelektroden 4; 5 haben, eine betragsmäßig gleiche Komponente des Polarisationsvektors elektrisch entgegengeschaltet wird.
• Die Kompensationsbedingung (2 O ) 0) lautet:

  .) /I I

  Beim Zusammenschalten derElektroden ist zu beachten, daß deren infolge Erwärmung A s freiwerdenden Ladungen entgegengesetztes Vorzeichen besitzen.
• Der Kompensationsabgleich kann vorgenommen werden a) durch Variation der Größe der einzelnen Elektrodenflächen oder b) durch Änderung der Lage ihrer Vektoren zueinander.
• Ein noch verbleibender restlicher pyroelektrischer Effekt kann nach Fig. 4 unter Verwendung mehrerer Tabletten 6; 7 weiter abgeschwächt werden.
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung des Problems der Kompensation pyroelektrischer Störungen nach den Fig. 4 und 6 ist verbunden, daß die kompensierten Tabletten einen verschwindenden piezoelektrischen Koeffizienten für hydrostatische Belastung erhalten. Eine Tablette, die gemäß Fig. 6 mit Kompensationselektroden versehen ist, zeigt auch eine verbesserte Richtungelektivität.
• Anmerkung: Die Darstellung # - (Erwärmung) bewirkt das Auftreten vonαn freien Ladungen, ist zwar richtig, aber theoretisch nicht exakt genug formuliert. Es wurde bewußt darauf verz6ichtet, eine Theorie der Pyro elektrizität anzugeben.

Claims (2)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e -: Verfahren zur Kompensation des pyroelektrischen Effektes an elektromechanischen Wandlern, insbesondere Ferroelektrika, die den longitudinalen piezoelektrischen Effekt oder den transversalen piezoelektrischen Effekt oder den piezoelektrischen Effekt bei mechanischer Schubbelastung von pyroelektrischen Materialien ausnutzen, dadurch gekennzeichnet, daß im Wandler mehrere elektrische Einzelelemente (6; 7) zusammengeschaltet sind, die mechanisch gegenphasig angeregt werden und durch einen mittels Variierung der Elektrodenfläche eines der beiden Elemente (6; 7) oder durch Nachpolarisation eines Elementes erreichten gezielten Eompensationsabgleich insgesamt einen minimalen pyroelektrischen Effekt ergeben.
2. 2. Einrichtung aus pyroelektrischem Material zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente außer dem normalerweise üblichen Elektrodenpaar (4; 5) ein zweites Elektrodenpaar(a; 9, Fig. 6) entsprechender Größe besitzen, welches mit dem ersten Elektrodenpaar (4; 5 so zusammengeschaltet ist, und dessen Flächenvektoren zu denen des ersten Elektrodenpaares eine solche Lage einnehmen, daß eine Komponente des remanenten Polarisationsvektors im technischen Sinne kompensiert wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.