DE2052356C3

DE2052356C3 - Quarzresonator-Druckmesswertwandler

Info

Publication number: DE2052356C3
Application number: DE2052356A
Authority: DE
Inventors: Henry E. Palo Alto Karrer; Jerry G. Santa Clara Leach
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1969-12-05
Filing date: 1970-10-24
Publication date: 1974-08-08
Also published as: US3561832A; DE2052356A1; DE2052356B2; JPS491234B1

Description

Die Erfindung betrifft DruckmeßwertA'andler mit einer aus piezoelektrischem Quarz bestehenden homogenen Resonatoreinheit mit einem Resonatorelement,

welches einen Zylindermantel und eine mit diesem einstückig und umfangsseitig verbundene Resonatorscheibe und elektrische Anschlüsse zu dieser aufweist und an den Endflächen mit Enddeckeln abgeschlossen ist. Bei derartigen Wandlern ist also die Resonator-

scheibe von dem äußeren Druckmedium isoliert, und die zylindrischen Wände des Resonatorelementes wirken als Membran und übertragen bzw. konzentrieren den zu messenden Druck eine^ Strömungsmittels radial auf den Umfang der Resonatorscheibe, welche eine Spannung abgibt, deren Frequenzänderung dem aufgebrachten Druck proportional ist und welche über Frequenzzähler ausgewertet werden kann.

Eine derartige Anordnung wurde bereits in der Zeitschrift »IEEE Transactions on Industrial Electronies and Control Instrumentation«, Vol. IECI-16, No. 1, JuIi 1969, S. 44 bis 50, beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmeßwertwandler der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, welcher eine höhere Druckempfindlichkeit aufweist.

Ausgehend von einem Druckmeßwertwandler der genannten und bekannten Gattung ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Resonatorscheibe nur entlang eines Teiles ihres Umfanges mit dem Zylindermantel verbunden ist.

Durch diese teilweise Entlastung der Unterstützungsfläche des Resonatorelementes an dessen Umfang wird der von der zylindrischen Membran übertragene Druck des Strömungsmeaiums auf ausgewählte Stellen am Umfang der Resonatorscheibe im Bereich maximaler Druckempfindlichkeit der Scheibe konzentriert und damit in ebenso einfacher wie wirkungsvoller Weise die Druckempfindlichkeit der Vorrichtung gesteigert.

Die Erfindung kann vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, daß die Resonatorscheibe nur an im wesentlichen diametralen Teilabschnitten ihres Umfanges mit dem Zylindermantel zusammenhängt und daß sie aus AT-Quarz besteht und die diametralen Teilabschnitte mit der A'-Achse des Quarzes einen Winkel nahe 0° oder nahe 90° bilden, wodurch eine maximale positive bzw. maximale negative Änderung der Resonatorfrequenz bei einer positiven Druckänderung erreicht wird. Entsprechend können bei einem BT-Quarz die diametralen Teilabschnitte gegenüber der A'-Achse in einem Winkel nahe 0° oder nahe 60 ausgerichtet werden, um eine maximale negative bzw. minimale negative Änderung der Resonanzfrequenz bei einer positiven Druckänderung zu erreichen. Somit können die Druckempfindlichkeit und die Druckbelastbarkeit in der gewünschten Weise beeinflußt werden.

Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß die Resonatoreinheit

ein weiteres mil dem ersten axial tlucluend an den einander zugewandten Endflächen verbundenes Resonatorelement mit einem Zylindermantel, einer mit diesem einstückig verbundenen Re-,onatorscheibe und elektrischen Anschlüssen aufweist, und die einander abgewandten Endflächen beider Rcsonatorelemente mit Endkappen abgeschlossen sind. Auch hierbei ist es wiederum erfindungsgemäß möglich, die Verbindungssiege der beiden Resonalorscheiben gegenüber der A'-Achse des Quarzes in Winkeln auszurichten, um bei AT-geschnittenem Quarz Druckkoeffizienten der Frequenz mit entgegengesetzter Polarität zu erhalten, so daß eine Messung der Schwebungsfrequenz eine größere Druckempfindlichkeit ergibt. Wenn beide Resonatoren in gleicher Weise aus AT-Quarz oder BT-Quarz bestehen und den gleichen Temperaturänderungen ausgesetzt werden, kunnen zusätzliche Temperaturfeh (er durch Messung der Schwebungsfrequenz eliminiert werden, da beide Resonatoren dann den gleichen Temperaturgang haben.

Die Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Druckwandler der Erfindung ist gut geeignet für spezielle Anwendungszwecke wie ozeanographische Instrumente und die Aufzeichnung von Öl-Bohrloch-Druckschwankungen über der Strömungsgeschwindigkeit und Zeit. Der volle Skalendruckhereich des Wandlers kann den Strömungsdrücken beim Tauchen auf dem Grund des Ozeans widerstehen. Die thermische Umgebung am Grund des Ozeans ist ideal. da in fast allen Teilen der Welt die Temperatur dort extrem stabil bei etwa 0 _:.|- 2 C ist. Beim Betrieb in dieser Umgebung kann der vorliegende Druckwandlc! mit einem Nullfrequenz-Temperaturkoeflizieüien um 0⁰C ausgestattet werden. Für die Druckmessung bei höheren Temperaturen wie beispielsweise in ÖI-Bohr-Iöchern, kann der NuIIf:equenz-Temperaturkoeffizient des Wandlers ungefähr bei der Umgebungstemperatur gewählt werden. Auf diese Weise braucht die Druckkammer, die den Quarzdruckwandler umgibt, keine hochgezüchteten temperatursteuernden Einrichtungen aufzuweisen, um eine genaue Druckmessung sicherzustellen.

Im folgenden werden der Stand dei Technik sowie ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellt dar

F i g. 1 eine perspektivische Schnittansicht eines bekannten Quarzdruckwandlers.

F i g. 2 eine Schnittansicht eines Quarzdruckwandlers mit einem Paar von AT-geschnittenen Resonatorscheiben, die derart ausgerichtet sind, daß sie bei zunehmendem Druck positive bzw. negative Frequenzänderungen abgeben.

Fig. 1 stellt einen bekannten Quarzdruckwandler9 dar, der eine piezoelektrische Resonatorscheibe 13 umfaßt, die innerhalb eines Quarzzylinders 11 angeordnet ist. Der Zylinder kann in bezug auf die kristalline Achse ausgerichtet werden, um ein bestimmtes Temperaturvei hallen zu erzielen, so daß der Resonatorabschnitt 13 AT- oder BT-geschniiten. d. h. positiv oder negativ temperaturabhängig sein kann, wie in IREPROCEEDINGS, Bd. 37, Dezember 1959, S. 1378 bis 1395, beschrieben ist. Der Resonator wird ip der dritten Oberton-Dickenschubschwingungsart mit einer Nominalfrequenz von 5MHz betrieben. Die Flächen der Resonatorscheibe 13 sind bikonvex in bezug auf die Miltelebene 14, um die mechanischen Schwingungen auf den zentralen Teil der Platte zu begrenzen und dadurch akustische Verluste durch die Zylindervandunuen U minimal zu machen. Es wurde ein Krümmungsradius gewählt, der einen Gütefaktor sicherstellt, der größer "als 10⁶ ist und unerwünschte Schwingungsarien unterbindet. Der AT- oder BT-Schnitt ergibt zwei Freiheitsgrar'e, um die Temperatureffekte herabzusetzen, die wie folgt gewählt werden können:

ίο 1. kann der Temperaturkoeffizient der Frequenz bei Null-Druck bei jeder Temperatur in der Größenordnung von 0 bis 100 C zu 0 gemacht werden; 2. kann der Temperaturkoeffizient der Druckempfindlichkeit innerhalb des Temperaturbereiches

»5 von 0 bis 100 C zu 0 gemacht werden.

Nachdem die richtige Ausrichtung eines Quarzkristalles ausgesucht worden ist, beispielsweise mittels der Röntgenslrahlenbeugungstechnik, wird zunächst

ein fester Quarzzylinder aus dem Kristall herausgebohrt. Der Abschnitt 9, 11, 13 des Resonatorkörpers und Endkappenabschnitte 15 werden dann aus dem Quarzzylinder gebildet mittels herkömmlicher Schneide- und Schleiftechniken. Die Dimensionen der fertiges gestellten Teile werden im einzelnen nachfolgend beschrieben. Schließlich werden alle Teile optisch poliert und gereinigt. Ein metallischer Film 17, 19 wird auf den Resonatorfiächen und entlang der Innenseite des Zylinders und über Verbindungen .21, 23 aufgedampft, um Resonatorelektroden und außen elektrische Anschlüsse zu schallen. Durch Änderung der Dicke des abgelagerten Goldes auf der Resonatoroberfläche kann die Null-Druck-Frequenz von 5 MHz um einige Hertz justiert werden. Daraufhin wird eine dünne Schicht aus elastischem Klebemittel auf den Verbindungsstellen abgelagert, und es werden dann die Kristallachsen der Endabschnitte 15 und des Körpers 9, 11, 13 sorgfältig ausgerichtet, und die Einheit wird in einer Heliumatmosphäre bei Atmosphärendruck abgeschlossen.

F i g. 1 stellt den nicht gelagerten Zylinder 11 zwischen dem Resonator 13 und den Endkappen 15 dar. Wenn ein äußerer Druck auf den Zylinder wirkt, entstehen axialsymmetrische Scherkräfte und Biegemomenic an jedem Ende der Zylinderabschnitte. Die Druckempfindlichkeit des Druckwandlers kann gesteigert werden, indem die Spannung an ausgewählten Stellen um die Peripherie des Pesonatorabschnittes in einer Linie mit der Achse der maximalen Druck-

empfindlichkeit des Resonatorabschnittes konzentriert wird. Dies kann geschehen, indem ein Teil der Periplierieunterstützungsfläche des Resonatorabschnittes entlastet wird, wie in F i g. 2 dargestellt ist, so daß diametral gegenüberliegende integrierte Befestigungs-Stege, beispielsweise 26 und 28 verbleiben. Bei AT- und BT-geschnittenem Kristall beträgt der Winkel ψ der maximalen positiven bzw. negativen Druckempfindlichkeit gegenüber der A'-Achse des Kristalles 0° (dies bedeutet Ausrichtung mit der X-Achse). Die Druckempfindlichkeil nimmt daher zu, und die maximale Druckbelastbarkeit nimml mit zunehmendem Entlastungswinkel 0 ab bis zu dem Grenzwert der Dicke des Befestigungssteges 26, die für eine hinreichende mechanische Festigkeit erforderlich ist, um den Resonator 16 unter Schock und Vibrationsbedingungen zu stützen.

Es muß auf eine sorgfältige Verbindung zwischen dem Ouarzdruckwandlerkörner 11 und den End-

deckein 15 an den I lachen 21 und 23 geachtet werden. Obwohl die kristalline Achse des Körpers und die Enddeckel sorgfältig ausgerichtet weiden, ist die dünne Schicht des Dichlungsmillels an diesen Verbindungsflächen eine potentielle Quelle für Hysterese. Wenn die beiden Seilen der Verbindungsstelle sich unter dem ausgeübten Druck nicht gemeinsam bewegen, entstehen Diskontinuitätsspannungen in dem Material der Verbindungsstelle.

Der maximale Druckbereich des Quarzdruckwandlers wird durch die physikalischen Eigenschaften des Quarzes und die Wandlerdimensionierung begrenzt. Der Quarz ist sehr schwach in bezug auf die Zugspannung, und zwar liegt die maximale Zugfestigkeil bei ungefähr 984 kp/cm². Indessen ist die maximale Druckfestigkeit von Quarz 24mal so groß. Es ist daher wünschenswert, den Quarzdruckwandler so zu dimensionieren, daß jeder Teil stets unter Druck steht.

Die maximale Zugspannung tritt bei dem Punkt O auf der Mittelebene 14 auf, wie in F i g. 1 dargestellt ist, da die Wände dazu neigen, sich unter Druck nach innen zu krümmen. Die Spannung an der Außenseite des Zylinders an diesem Punkt ist gleich der Summe der Zugspannung durch Biegung und der longitudinalen Druckspannungen durch den Druck auf die Enddeckel 15.

Auch spröde Materialien wie Quarz verhalten sich bis zu dem Bruchpunkt elastisch und ungleich Metallen. Der Bruch erfolgt bei kleiner plastischer Verformung. Der Bruch entsteht gewöhnlich an der Oberfläche in kleinen Mikrorissen, welche lokalisierte Spannungskonzentrationen darstellen. Daher sind die Oberflächenbedingungen kritisch bei der Bestimmung der mechanischen Festigkeit. Aus diesem Grunde wird in der Praxis die Oberfläche des Quarzwandlers stark poliert, insbesondere in Bereichen hoher Zugspannung.

Bei der Ausführungsform des Quarzdruckwandlers, bei der der Zylinder näherungsweise 85 mm insgesamt lang und 25 mm im Durchmesser ist und die Zylinderwände näherungsweise 5 mm dick sind, beträgt der Druckbereich 0 bis 703 kp/cm², und die Druckcmp-

findlichkeit ist normalerweise 0,0213 Hz/

CIlV

Diese Grundempfindlichkeit wird dann bis zu 1,43 Hz/ ^p„ multipliziert und gibt einen Skalenausgang von 1 MHz. Die volle Skalenauflösung auf einem gewöhnlichen elektronischen Zähler wäre 1 : 10⁶

(oder 0,703 „) für eine Beobachtungsperiode von

einer Sekunde und 1/10⁷ (oder 0,0703 ^p .,] für eine

zehn Sekunden währende Beobachtungsperiode. Bei dieser Ausführungsform hängt die Genauigkeit des Quarzdruckwandlers in erster Linie von der Resonatorstabilität und den nicht elastischen Fehlern ab, (d. h. Hysterese, Nicht-Wiederholbarkeit und Verschiebung beim Rückgang in die Nullstellung). Die typischen Betriebscharakteristika sind folgende:

1. Die Kurzzeitstabilität in einer Zehn-Sekunden-Periode bei einem konstanten Druck ist 0,0703
gleich 1/10⁷ Gesamthub. Die Langzeitstabilität bei konstantem Druck beträgt 0,703 „ gleich

1/10⁶ Gesamthub über eine Zeitdauer von einer Woche.

2. Die Hysterese (d. h. die Differenz der Ablesung bei gleichen Drücken bei Druckausübung in ver

schiedenen Richtungen) ist kleiner als 0,703 ^p„ '■ cm-

bzw. 1/10° Gesamthub.

3. Die Nicht-Wiederholbarkeit (d. h. der Unterschied in Ablesungen bei gleichem Druck, wenn der Druck in der gleichen Weise aufgebrachl

to wird) ist kleiner als 0,703 ^p, gleich 1/10⁶ Gesamthub.

4. Die Verschiebung bei der Rückkehr auf Null ist geringer als 0,703 ^p', gleich 1/10° Gesamthub.

Der Quarzdruckwandler hat typischerweise eine Nicht-Linearität der Frequenz über dem Druck von ungefähr 0,5";', des Gesamthubs. Da indessen die Nicht-Linearität innerhalb der Toleranz der oben beschriebenen, nicht elastischen Fehler wiederholbar ist, bewirkt sie keinen Fehler, sondern vielmehr eine Korrektur der digitaler Ablesung.

Eine andere Ausführungsform des Quarzdruckwandlers ist in F i g. 2 dargestellt und weist ein Paar von Resonatoren 16 und 18 auf, die aus einem einzigen zylindrischen Quarzkern gebildet sind. Jeder dieser Resonatoren ist als integraler Bestandteil entsprechender Unterstützungszylinder 46, 48 ausgebildet und mit diesen nur durch ein Paar integraler Stege 26, 28 verbunden. Auf den entgegengesetzten Seiten jedes Resonators 16, 18 sind unter Vakuum Goldelektroden 50, 52 und 54, 56 aufgedampft, und eine Verlängerung ist als Signalleiter über einen Befestigungssteg entlang der Innenwand des Zylinderabschnittes und durch die Verbindung 60, 62, 64 nahe den Resonatoren angebracht. Die angrenzenden zylindrischen Abschnitte jedes der Resonatoren sind im wesentlichen in der Länge gleich und miteinander an der Verbindungsstelle 62 verbunden unter Verwendung eines geeigneten Kittes. Dies stellt sicher, daß diskontinuierliche Spannungen an der Verbindungsstelle 62 minimal gemacht werden, wie es schon beschrieben wurde. Auch Enddeckel 66, 68 weisen zylindrische Wände auf, die im wesentlichen bezüglich der Dicke und Länge (d. h. zur Oberfläche des Resonators gemessen) dem angrenzenden Zylinderabschnitt eines Resonators gleichen.

Dies stellt sicher, daß diskontinuierliche Spannungen an den Verbindungsstellen 60, 64 herabgesetzt werden, wie schon beschrieben wurde.

Bei dieser Ausführungsform können die Resonatorausrichtungen bei AT-geschnittenen Quarzen derart gewählt werden, daß maximale Druckkoeffizienten der Frequenz mit entgegengesetzter Polarität geschaffen werden, so daß die Kombination der entstehenden Frequenzen eine größere Druckempfindlichkeit und einen direkten Ausgang der Schwebungsfrequenz ergibt, ohne einen getrennten Referenzkristall zu benötigen. Da auch beide Resonatoren 16, 18 im wesentlichen der gleichen Temperatur ausgesetzt sind, fallen temperaturabhängige Eigenschaften der Resonatoren heraus.

Bei AT-geschnittenen Resonatoren wird der maximale positive Druckkoeffizient im Resonator 16 bei einem Winkel y> von 0 in bezug auf die X-Achse erreicht (d. h., daß die Stege 26 diametral längs der

X-Achse ausgerichtet sind). Der Winkel ϋ der umfangseitigen Entlastungsaussparung kann vergrößert werden, um die Druckempfindlichkeit zu steigern (aber die maximale Druckbelastbarkeit herabzusetzen), bis zu der Grenze der Stegbreite, die ausreichend ist, um die erforderliche mechanische Festigkeit des Trägers des Resonators 16 zu ergeben. Der Winkel ψ zur .Y-Achse kann für den Resonator 18 bei ungefähr 90° gewählt werden, um einen maximalen negativen Druckkoeffizienten der Frequenz zu erhalten. In ähnlicher Weise kann der Entlastungswinkel ϋ an der Peripherie so gewählt werden, daß er mit der inversen Druckempfindlichkeit des Resonators 16 zusammenpaßt.

Bei BT-geschnittenen Resonatoren kann der Winkel ψ des Resonators 16 ungefähr 0° für einen maximalen negativen Druckkoeffizienten der Frequenz betragen, und der Winkel ψ für den Resonator 18 kann ungefähr 60° sein, um einen minimalen negativen Druckkoeffizienten der Frequenz zu erreichen. Natürlich können die Winkel ψ und ϋ für die Resonatoren 16, 18 um diese angegebenen Werte geändert werden, um ausgewählte Druckkoeffizienten der Frequenz zu erreichen, falls dies erwünscht ist.

Quarzdruckwandler, die nicht wie in F i g. 2 ein Resonatorenpaar aufweisen, haben üblicherweise eine Betriebscharakteristik, die durch Temperaturänderungen nachteilig beeinflußt wird. Durch die Anwendung eines Quarzdruckwandlers in einem Druckgehäuse kann die Temperatur innerhalb ± 0,1⁰C der Temperatur des Nulltemperatur-Frequenzkoeffizienten eingestellt werden und kann innerhalb ±0,05° C über einen Umgebungsbereich von 0 bis 50° C aufrechterhalten werden, und die Ablesung des Quarzdruckwandlers ist bei jedem Druck innerhalb 0,1406-—

je 0,0703 —=4- des ausgeübten Druckes konstant bei

Änderungen der Umgebungstemperatur von 0 bis 50⁰C. Wenn beide Resonatoren im AT-Schnitt oder im BT-Schnitt hergestellt sind, wird auf Grund der ao gleichen Temperaturgänge der Resonatoren die Temperaturabhängigkeit der Frequenz bei der Messung der Schwebungsfrequenz eliminiert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 6:

Claims

Patentansprüche:

1. Druckmeßwertwandler mit einer aus piezoelektrischem Quarz bestehenden homogenen Resonatoreinheit mit einem Resonatorelement, welches einen Zylindermantel und eine mit diesem einstückig und umfangseitig verbundene Resonatorscheibe und elektrische Anschlüsse zu dieser aufweist und an den Endflächen mit Enddeckeln abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorscheibe (13) nur entlang eines Teiles ihres Umfanges mit dem Zylindermantel (11) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorscheibe (13) nur an im wesentlichen diametralen Teilabschnitten ihres Umfanges mit dem Zylindermantel (11) zusammenhängt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoreinheit aus AT-Quarz besteht und die diametralen Teilabschnitte mit der A'-Achse des Quarzes einen Winkel (y>) nahe 0° oder nahe 90° bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoreinheit aus BT-Quarz besteht und die diametralen Teilabschnitte mit der A'-Achsej einen Winkel (ψ) nahe 0° oder nahe 60° bilden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoreinheit ein weiteres, mit dem ersten axial fluchtend an den einander zugewandten Endflächen (62) verbundenes Resonatorelement (48, 18, 54, 56) mit einem Zylindermantel (48), einer mit diesem einstückig verbundenen Rosonatorscheibe (18) und elektrischen Anschlüssen (54, 56) aufweist und die einander abgewandten Endflächen (60, 64) beider Resonatorelemente (46, 16, 50, 52, 48, 18, 54, 56) mit Endkappen (66, 68) abgeschlossen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch die zweite Resonatorscheibe (18) nur über Teile ihres Umfanges mit dem Zylindermantel (48) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindermäntel (46, 48) und Resonatorscheiben (16, 18) beider Resonatorelemente aus dem gleichen Material bestehen und an ihrer gemeinsamen Endfläche (62) im wesentlichen ausgerichtete Kristallgilterstrukturen aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappen (66, 68) für beide Resonatorelemente aus dem gleichen Material bestehen und an den Endflächen (60, 64) beider Resonatorelemente im wesentlichen ausgerichtete Kristallstrukturen aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder H. dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoreinheit aus AT-Quarz besteht und die diametralen Abschnitte (26) der einen Resonatorscheibe (16) mit der A'-Achsc einen Winkel (ψ) von etwa 0ⁿ bilden und die diametralen Abschnitte (28) der anderen Resonatorscheibe (18) mit der X-Achse einen Winkel (y>) von etwa 90° bilden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoreinheit aus BT-Quarz besteht und die diametralen Abschnitte (26) der einen Resonatorschdbe (16) mit der A'-Achse einen Winkel (y) von etwa 0 bilden und die diametralen Abschnitte (28) der anderen Resonatorscheibe (18) mit der A'-Achse einen Winkel (ψ) von etwa 60 bilden.