DE19506338C2 - Piezoelektrisches Meßelement - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein piezoelektrisches Meßelement zur Messung mechanischer Größen, insbesondere Druck, Kraft und Beschleunigung, mit zumindest zwei piezoelektrischen Kristall­ elementen.

Mit fortschreitender Entwicklung hochtemperaturfester Materia­ lien in vielen Bereichen der Technik ist es auch für die Meß­ technik bezüglich der Messung physikalischer Größen mittels piezoelektrischer Meßelemente notwendig geworden, auch bei ho­ hen Temperaturen ein stabiles Meßverhalten zu zeigen.

Sehr gute Eigenschaften, wie hoher thermischer Einsatzbereich und stabiles Meßverhalten zeigt Galliumorthophosphat, welches der Symmetrieklasse 32 zugehört. Nachteilig dabei ist, daß dessen Zucht sich als sehr kompliziert darstellt und ausrei­ chende Verfügbarkeit deshalb nicht gegeben ist. Das Material ist außerdem sehr teuer.

Aus der DE 43 08 666 A1 ist ein Drucksensor mit einem piezo­ elektrischen Wandler bekannt. Der Wandler weist sich gegen­ überliegende Elektroden auf, zwischen denen eine Spannung er­ zeugt wird, wenn Druck auf den Wandler ausgeübt wird. Der Ka­ pazitätswert zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden nimmt mit zunehmender Temperatur zu. Ein dielektrisches Glied ist in der Nähe des piezoelektrischen Wandlers angeordnet. Das dielektrische Glied weist ebenfalls einander gegenüberliegende Elektroden auf, wobei der Kapazitätswert zwischen diesen Elek­ troden mit steigender Temperatur abnimmt. Zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Kapazität des piezoelektrischen Wandlers sind dieser und das dielektrische Glied elektrisch in Reihe miteinander geschaltet.

Zur Erreichung eines stabilen Meßverhaltens ist im Zusammen­ hang mit Quarz ein Kompensationsverfahren bekannt geworden, wie es beispielsweise in der AT-A 319 632 beschrieben wird. Dort wird der positive Temperaturkoeffizient des Piezokoeffi­ zienten d₁₄ zur Kompensation des negativen Temperaturkoeffizi­ enten des Piezokoeffizienten d₁₁ genutzt und damit eine mini­ male Temperaturabhängigkeit des Transversalkoeffizienten d_12' erreicht. Um jedoch meßtechisch vernünftige Signale zu erhal­ ten, kann für das Kristallelement nur eine längliche Bauform gewählt werden, was die mechanische Belastbarkeit begrenzt.

Weiters ist es aus der AT-B 389 170 bekannt, bei einem piezo­ elektrischen Meßelement mit zumindest zwei Kristallelementen, zur Vermeidung von Scherspannungen Kristallelemente aus Kri­ stallen der Punktsymmetrieklasse 32 zu verwenden, bei welchen entgegengesetzte Enatiomorphie-Typen l und r existieren. Wei­ ters ist aus der AT-PS 278 402 ein piezoelektrischer Meßwand­ ler bekannt, bei welchem sich die einzelnen Kristallelemente physikalisch durch Verwendung unterschiedlicher Schnittrich­ tungen unterscheiden, was unterschiedliche Piezokoeffizienten zur Folge hat.

Ziel der Erfindung ist es, ein temperaturstabiles, piezoelek­ trisches Meßelement zur Verfügung zu haben, welches neben länglichen auch kompakte, hoch belastbare Bauformen zuläßt, und zusätzlich kostengünstig und leicht verfügbar ist.

Erfindungsgemäß werden diese Anforderungen zum einen dadurch erfüllt, daß sich zumindest eines der Kristallelemente chemisch von den anderen Kristallelementen unterscheidet, wobei zumindest ein Kristallelement mit negativem Temperaturkoeffizienten und zu­ mindest ein Kristallelement mit positivem Temperaturkoeffizi­ enten vorliegt, wobei die Schnittwinkel und die Anzahl der Kristallelemente so gewählt werden, daß die piezoelektrische Gesamtempfindlichkeit des Meßelementes in einem vorgegebenen Temperaturintervall im wesentlichen konstant bleibt. Das Meßelement besteht aus mindestens zwei, kann aber auch aus mehreren Kristallplättchen bestehen. Wieviele Plättchen von welchem Material verwendet werden müssen, wird von den absolu­ ten Größen der wirksamen piezoelektrischen Koeffizienten, so­ wie von den absoluten Größen der zugehörigen Tem­ peraturkoeffizienten und von der gewünschten Gesamtempfind­ lichkeit bestimmt.

Bei der Ausnützung des longitudinalen Piezoeffektes werden die zumindest zwei Kristallelemente seriell, d. h. als Stapel mit der zu messenden Größe beaufschlagt, bei der Ausnützung des transversalen Piezoeffektes erfolgt eine parallele Beaufschla­ gung der Kristallelemente.

Dabei ist nach einer ersten Ausführungsvariante das zumindest eine Kristallele­ ment mit negativem Temperaturkoeffizienten aus Quarz und das zumindest eine Kristallelement mit positiven Temperaturkoeffi­ zienten aus Langasit ausgebildet, alternativ aus Lithiumtantalat (LiTaO₃) und Lithiumniobat (LiNbO₃).

Zum anderen werden die Anforderungen auch dadurch erfüllt, daß die Kristallelemente chemisch ident sind und sich zumindest eines der Kristallelemente physikalisch von den anderen Kri­ stallelementen unterscheidet, wobei zumindest ein Kristallele­ ment in einer ersten kristallographischen Orientierung mit ne­ gativem Temperaturkoeffizienten und zumindest ein Kristallele­ ment in einer zweiten kristallographischen Orientierung mit positivem Temperaturkoeffizienten vorliegt, wobei die Schnitt­ winkel und die Anzahl der Kristallelemente so gewählt werden, daß die piezoelektrische Gesamtempfindlichkeit des Meßelemen­ tes in einem vorgegebenen Temperaturintervall im wesentlichen konstant bleibt.

Dabei ist beispielsweise vorgesehen, daß die Kristallelemente aus Lithiumtantalat bestehen, wobei das Kristallelement mit negativen Temperaturkoeffizienten ein Y-Schnitt und das Kri­ stallelement mit positiven Temperaturkoeffizienten ein Z-Schnitt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen und Beispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Kristallele­ ment in Form eines Kristallplättchens, Fig. 2 ein quaderförmi­ ges Kristellelement und die Fig. 3 bis 6 verschiedene Ausfüh­ rungsvarianten der erfindungsgemäßen Meßelementes in schemati­ scher Darstellung.

Dem Koordinatensystem für die in den nachfolgenden Beispielen angeführten Rotationen wird der "IEEE-Standard on Piezoelec­ tricity 176-1978" zugrundegelegt, wobei die x-Achse mit einer kristllographischen a-Achse und die z-Achse mit der optischen c-Achse zusammenfällt.

Positive Drehungen sind bei Achsendraufsicht als Drehung gegen den Uhrzeigersinn zu verstehen. Rotationen werden bei Kri­ stallelementen in Form von Kreisplatten in der Nomenklatur ABα angegeben, wobei A die Richtung der Plättchendicke in der Aus­ gangslage, B die Achse entlang des Durchmessers, um den das Plättchen gedreht wird, und α die Größe der Drehung in Grad bezeichnen.

Abb. 1 zeigt ein um den Winkel γ um die z-Achse gedrehtes x-Longitudinalplättchen mit der Rotation XZγ.

Bei quaderförmigen Kristallelementen, wie sie in Beispiel 4 verwendet werden, wird die Nomenklatur ABcα verwendet. Die er­ sten zwei Buchstaben geben der Reihe nach die Richtungen der Dicke und Länge des Quaders in der Ausgangslage an. Es folgt die Angabe der Kantenrichtung und des Winkels, um den das Kri­ stallelement um diese Kante gedreht wird.

Abb. 2 zeigt ein um den Winkel α um die x-Achse gedrehtes Transversalelement mit der Rotation XYxα.

Nachfolgende Drehungen beziehen sich auf die Lage der Achsen, die sie durch die vorhergehenden Drehungen eingenommen haben.

Beispiel 1

Das Meßelement gemäß Fig. 3 besteht aus chemisch unterschiedlichen Kristallelementen 1a und 2a und soll im Tem­ peraturintervall 20°C-400°C eine im wesentlichen konstante piezoelektrische Gesamtempfindlichkeit von mehr als 8 pC/N auf­ weisen.

Verwendet wird als Material mit negativem Temperaturkoeffizi­ enten Quarz, als Material mit positivem Temperaturkoeffizien­ ten Langasit.

Quarzelemente mit der hier bevorzugten Rotation YZ20°YX13° verändern in diesem Temperaturintervall ihre Longitudinalem­ pfindlichkeit von 1.84 pC/N um 0.15 pC/N auf 1.69 pC/N. Wer­ den, wie hier zur Erreichung der gewünschten Gesamtempfind­ lichkeit, drei Quarzkristallelemente 1a verwendet, so sinkt diese entsprechend um 0.45 pC/N. Die Empfindlichkeit des vier­ ten, aus Langasit bestehenden Kristallelementes 2a muß sich daher um den gleichen Wert erhöhen. Dies gelingt durch die Verwendung eines um die y-Achse gedrehten Schnittes, mit der Rotation XY38°, der bei Raumtemperatur eine Empfindlichkeit von 2.96 pC/N aufweist.

Die Gesamtempfindlichkeit des Meßelementes ergibt sich somit zu 8.48 pC/N, womit alle Forderungen erfüllt sind.

Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau und die elektrische Schaltung eines solchen Stapels, der in einem Gehäuse 3, 3' eingespannt ist. Wegen der Unabhängigkeit der Longitudinal­ empfindlichkeit von der Plättchendicke kann diese kleiner als 1 mm sein. Mit den Pfeilen in den einzelnen Kristallelementen 1a und 2a ist die Polarisationsrichtung angedeutet, bei 4 er­ folgt die Ladungsabnahme.

Beispiel 2

Das Meßelement gemäß Fig. 4 besteht aus zwei che­ misch gleichen, jedoch unterschiedlich geschnittenen Kristall­ elementen 1b und 2b und soll im Temperaturintervall 20°C-­ 400°C eine im wesentlichen konstante piezoelektrische Gesamt­ empfindlichkeit von mehr als 15 pC/N aufweisen.

Als Material mit negativem Temperaturkoeffizienten wird ein Lithiumtantalat-Y-Schnitt (LiTaO₃), als Material mit positivem Temperaturkoeffizienten ein Lithiumtantalat-Z-Schnitt verwen­ det.

Das Lithiumtantalat-Y-Plättchen (Kristallelement 1b) verändert in diesem Temperaturintervall seine Empfindlichkeit von 8.5 pC/N um 0.41 pC/N auf 8.09 pC/N. Die Empfindlichkeit des Lithiumtantalat-Z-Plättchens (Kristallelemente 2b) muß sich daher um den gleichen Betrag erhöhen. Dies gelingt durch die Verwendung eines um die x-Achse gedrehten Z-Schnittes mit der Rotation ZX-25°, der bei Raumtemperatur eine Empfindlichkeit von 11,22 pC/N aufweist.

Die Gesamtempfindlichkeit ergibt sich somit zu 19.72 pC/N, wo­ mit alle Forderungen erfüllt sind.

Abb. 4 zeigt den Aufbau und die elektrische Schaltung eines solchen Stapels, der, wegen der Unabhängigkeit der Lon­ gitudinalempfindlichkeit von der Plättchendicke, kleiner als 0,5 mm sein kann.

Beispiel 3

Das Meßelement besteht aus zwei chemisch unter­ schiedlichen Kristallelementen 1c und 2c und soll im Tempera­ turintervall 20°C-400°C eine im wesentlichen konstante pie­ zoelektrische Gesamtempfindlichkeit von mehr als 25 pC/N auf­ weisen.

Als Material mit negativem Temperaturkoeffizienten wird ein Lithiumtantalat-Y-Schnitt (LiTaO₃), als Material mit positivem Temperaturkoeffizienten ein Lithiumniobat-Y-Schnitt (LiNbO₃) verwendet.

Ein Lithiumtantalat-Y-Plättchen (Kristallelemente 1c) verän­ dert in diesem Temperaturintervall seine Empfindlichkeit von 8.5 pC/N um 0.41 pC/N auf 8.09 pC/N. Werden, wie hier zur Er­ reichung der gewünschten Gesamtempfindlichkeit, zwei Plättchen verwendet, so sinkt diese entsprechend um 0.82 pC/N. Die Empfindlichkeit der beiden anderen, aus Lithiumniobat beste­ henden Plättchen (Kristallelemente 2c) muß sich daher um den gleichen Wert erhöhen. Dies gelingt durch die Verwendung eines um die z-Achse gedrehten Schnittes, mit der Rotation YZ25.5°, der bei Raumtemperatur eine Empfindlichkeit von 4.83 pC/N auf­ weist.

Die Gesamtempfindlichkeit des Stapels ergibt sich somit zu 26.66 pC/N, womit alle Forderungen erfüllt sind.

Abb. 5 zeigt den Aufbau und die elektrische Schaltung eines solchen Stapels, welcher ebenfalls kleiner als 1 mm sein kann.

Die Kombination der in Beispiel 3 angeführten Schnitte hat noch den zusätzlichen Vorteil, daß der pyroelektrische Effekt von Lithiumniobat und -tantalat nicht störend in Erscheinung tritt, da dieser nur in z-Richtung wirksam ist.

In manchen Anwendungsfällen (bei geringer mechanischer Bela­ stung) ist es möglich, daß die Bauhöhe des Meßelementes keine Rolle spielt. In diesen Fällen läßt sich das beschriebene Kom­ pensationsverfahren auch bei Ausnutzung des Transversaleffek­ tes anwenden.

Beispiel 4

Das Meßelement besteht aus zwei chemisch unter­ schiedlichen, quaderförmigen Kristallelementen 1d und 2d, und soll im Temperaturintervall 20°C-400°C eine im wesentlichen konstante piezoelektrische Gesamtempfindlichkeit von mehr als 3.5 pC/N aufweisen.

Verwendet wird als Material mit negativem Temperaturkoeffizi­ enten Quarz, als Material mit positivem Temperaturkoeffizien­ ten Langasit (Lanthan-Gallium-Silikat: La₃Ga₅SiO₁₄), wobei die Belastung in Y-Richtung und die Ladungsabnahme an den X-Flächen erfolgt. Quarzelemente 1d verändern in diesem Tempe­ raturintervall ihre Transversalempfindlichkeit von 2.3 pC/N um 0.19 pC/N auf 2.11 pC/N. Die Empfindlichkeit des aus Langasit bestehenden Elementes 2d muß sich daher um den gleichen Wert erhöhen. Dies gelingt durch die Verwendung eines um die z-Achse gedrehten Schnittes mit der Rotation XYz26°, der bei Raumtemperatur eine Empfindlichkeit von 1.25 pC/N aufweist.

Die Gesamtempfindlichkeit ergibt sich somit zu 3.55 pC/N, wo­ mit alle Forderungen erfüllt sind.

Abb. 6 zeigt den Aufbau und die elektrische Schaltung eins solchen, aus zwei Teilen bestehenden Meßelementes.

Die Kristallelemente 1d und 2d weisen eine elektrisch leitende Schicht 5 auf. Zwischen dem Gehäuseoberteil 3' und einer die Kristallelemente kontaktierenden Elektrode 6 ist ein Isola­ tor 7 angeordnet. Die Ladungsabnahme ist wie in den voranste­ henden Beispielen mit 4 bezeichnet.

Claims (5)

1. Piezoelektrisches Meßelement zur Messung mechanischer Grö­ ßen, insbesondere Druck, Kraft und Beschleunigung, mit zu­ mindest zwei piezoelektrischen Kristallelementen, dadurch gekennzeichnet, daß sich zumindest eines der Kristallele­ mente (1a; 1c; 1d) chemisch von den anderen Kristallele­ menten (2a; 2c; 2d) unterscheidet, wobei zumindest ein Kristallelement (1a; 1c; 1d) mit negativem Temperaturkoef­ fizienten und zumindest ein Kristallelement (2a; 2c; 2d) mit positivem Temperaturkoeffizienten vorliegt, wobei die Schnittwinkel und die Anzahl der Kristallelemente so ge­ wählt werden, daß die piezoelektrische Gesamtempfind­ lichkeit des Meßelementes in einem vorgegebenen Tempera­ turintervall im wesentlichen konstant bleibt.

2. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Kristallelement (1a; 1d) mit negativem Tem­ peraturkoeffizienten aus Quarz und das zumindest eine Kri­ stallelement (2a; 2d) mit positivem Temperaturkoeffizien­ ten aus Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄) besteht.

3. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Kristallelement (1c) mit negativem Tem­ peraturkoeffizienten aus Lithiumtantalat (LiTaO₃) und das zumindest eine Kristallelement (2c) mit positivem Tempera­ turkoeffizienten aus Lithiumniobat (LiNbO₃) besteht.

4. Piezoelektrisches Meßelement zur Messung mechanischer Grö­ ßen, insbesondere Druck, Kraft und Beschleunigung, mit zu­ mindest zwei piezoelektrischen Kristallelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallelemente (1b, 2b) chemisch ident sind und sich zumindest eines der Kristallelemente physikalisch von den anderen Kristallelementen unterschei­ det, wobei zumindest ein Kristallelement (1b) in einer er­ sten kristallographischen Orientierung mit negativem Tem­ peraturkoeffizienten und zumindest ein Kristallele­ ment (2b) in einer zweiten kristallographischen Orientie­ rung mit positivem Temperaturkoeffizienten vorliegt, wobei die Schnittwinkel und die Anzahl der Kristallelemente so gewählt werden, daß die piezoelektrische Gesamtempfind­ lichkeit des Meßelementes in einem vorgegebenen Temperatu­ rintervall im wesentlichen konstant bleibt.

5. Meßelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallelemente (1b, 2b) aus Lithiumtantalat beste­ hen, wobei das Kristallelement (1b) mit negativen Tempera­ turkoeffizienten ein Y-Schnitt und das Kristallele­ ment (2b) mit positiven Temperaturkoeffizienten ein Z-Schnitt ist.