DE2136096A1

DE2136096A1 - Piezoelectric transducer

Info

Publication number: DE2136096A1
Application number: DE19712136096
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Phys Dr se nat Winterthur Sonderegger Hans C Dipl Ing Neftenbach Baumgartner, (Schweiz) GOIl 7 12
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1970-07-29
Filing date: 1971-07-20
Publication date: 1972-02-10
Also published as: DE2136096B2; CH518537A; DE2136096C3

Description

Piezoelektrischer Messwertwandler Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein neuer mechanisch-elektrischer Messwertwandler, der eine mechanische Kraft in ein elektrisches Signal umwandelt. Solche Messwertwandler erlangen in der Technik eine immer zunehmende Bedeutung. Ursprünglich setzte man sie nur zu Messzwecken ein. Neuerdings spielen sie jedoch als Sensoren in Ueberwachungs-und Regelkreisen eine immer grössere Rolle. Zur Umwandlung der mechanischen Grösse in eine elektrische werden verschiedene physikalische Prinztpien benutzt. Man unterscheidet vor allem induktive, kapazitive, resistive und piezoelektrische Wandler. In letzter Zeit sind auch viele Typen von Wandlern bekannt geworden, die mit Halbleitern arbeiten. Dem Prinzip nach sind jedoch diese Messwertwandler zu den resistiven zu zählen, die somit ähnlich arbeiten wie die bekannten Wandler auf Dehnmessstreifenbasis mit dein einzigen Unterschied, dass als veränderlicher Widerstand ein Tlalbleiter benutzt wird. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wendet sowohl piezoelektrische wie auch Halbleitermittel an, dürfte aber aus Funktionsgründen in die Kategorie piezoelektrische Wandler gezählt werden.Piezoelectric transducer The subject of the present Invention is a new mechanical-electrical transducer that has a mechanical Converts force into an electrical signal. Such transducers achieve in the Technology is becoming increasingly important. Originally they were only used for measuring purposes a. Recently, however, they have been playing as sensors in monitoring and control loops an increasingly important role. To convert the mechanical quantity into an electrical one different physical principles are used. Above all, one differentiates inductive, capacitive, resistive and piezoelectric transducers. Lately are many types of converters that work with semiconductors have also become known. To the principle however, these transducers are resistive to count, which thus work in a similar way to the known transducers based on strain gauges The only difference is that the variable resistance is a semiconductor is used. The subject matter of the present invention applies to both piezoelectric as well as semiconductor materials, but should be in the category for functional reasons piezoelectric transducers are counted.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine in einer Messzelle untergebrachten Anordnung von konischen piezoelektrischen Kristallen, die unter Einwirkung einer mechanischen Kraft dielektrisch polarisiert werden.The invention is characterized by one which is accommodated in a measuring cell Arrangement of conical piezoelectric crystals, which under the action of a mechanical force are dielectrically polarized.

Das durch die Polarisierung entstehende elektrische Feld wirkt in einer mit den Kristallen kombinierten Feldeffekt-Anordnung, welche einen Strom oder Spannung in Abhängigkeit des mit piezoelektrischen Mitteln entstandenen elektrischen Feldes steuert und damit eine Widerstandsänderung proportional zur einwirkenden mechanischen Kraft erzeugt. Der Grad der Polarisierung des in Frage stehenden Kristallmaterials kann auf verschiedene Weise beeinflusst werden, es werden Mittel zur Verstärkung der erzeugten elektrischen Felder vorgeschlagen.The electric field created by the polarization acts in a field effect arrangement combined with the crystals, which generates a current or Voltage as a function of the electrical generated by piezoelectric means Field controls and thus a change in resistance proportional to the acting mechanical force generated. The degree of polarization of the crystal material in question can be influenced in different ways; they become means of reinforcement proposed of the generated electric fields.

Die auf diese Weise entstandene Messzelle kann sowohl in Messwertwandlern für Kraft- wie auch für Druck- und Beschleunigungsmessung eingebaut werden. Die Schaltungsanordnung kann in Teil- oder Volibrückenschaltung durchgeführt werden. Zur Anzeige der Messspannung können alle handelsüblichen Signalverarbeitungsgeräte verwendet werden.The measuring cell created in this way can be used in transducers for force as well as pressure and acceleration measurement can be installed. the Circuit arrangement can be carried out in partial or full bridge circuit. All commercially available signal processing devices can be used to display the measurement voltage be used.

Der Stand der Technik und Ausführungsbeispiele sind in den folgenden 7 Figuren dargestellt.The prior art and working examples are in the following 7 figures shown.

Fig. 1 Zeigt schematisch eine piezoelektrische Kraftmesseinrichtung wie sie ohne weiteres aus handelsüblichen Teilen zusammengestellt werden kann, Fig. 2 zeigt ein Kraft-Zeit Diagramm eines Belastungsvorganges, Fig. 3 zeigt ein Spannungs-Zeit Diagramm des Vorganges nach Fig. 2, Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt einen Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode. Fig. 1 shows schematically a piezoelectric force measuring device how it can easily be put together from commercially available parts, Fig. FIG. 2 shows a force-time diagram of a loading process, FIG. 3 shows a stress-time diagram Diagram of the process according to Fig. 2, Fig. 4 shows schematically in section a field effect transistor with isolated control electrode.

Fig. 5 zeigt schematisch eine bekannte Kraftmessanordnung die unter Zuhilfenahme des piezoelektrischen Transversaleffektes arbeitet, Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemässe Kristallanordnung, Fig. 7 zeigt die Anordnung von Figur 6 im Schnitt nach Linie A - A Die Figuren erläutern den gegenwärtigen Stand der Piezomesstechnik und führen dann über zur Prinziperklärung heutiger Feldeffekt -Transistoren, mit isolierter Steuerelektrode, wie sie in den letzten Jahren in den Handel kamen. Anschliessend ist dann nAusführungsbeispiel der erfindungsge -mäs sen piezoeleIri schen Feld effekt-Messwandler dargestellt. Fig. 5 shows schematically a known force measuring arrangement under With the aid of the piezoelectric transversal effect, FIG. 6 shows a crystal arrangement according to the invention, FIG. 7 shows the arrangement of FIG. 6 in section to line A - A The figures explain the current status of Piezo measurement technology and then lead to the explanation of the principles of today's field effect transistors, with insulated control electrode, as they have been on the market in recent years. Then there is an exemplary embodiment of the piezoelectric element according to the invention field effect transducer shown.

In Figur 1 ist ein konventioneller piezoelektrischer Messwandler im Prinzip dargestellt, der nach dem transversalen Piezoeffekt arbeitet. Wenn eine Kraft P über einen Stempel 1 auf einen piezoelektrischen Kristall 2, z. B.A conventional piezoelectric transducer is shown in FIG Principle shown, which works according to the transverse piezo effect. When a Force P via a stamp 1 on a piezoelectric crystal 2, e.g. B.

Quarz, einwirkt und diesen längs seiner y-Achse zusammenpresst entstehen im Quarz Deformationen, die eine unterschiedliche Verschiebung der atomaren elektrischen Ladungen zur Folge haben. Die Gesamtheit der positiven Ladungen 3 kann, wie angedeutet ist, etwas nach links und die Gesamtheit der negativen Ladungen 4 etwas nach rechts verschoben werden. Im Inneren des Kristalls wird dadurch das Gleichgewicht der positiven und negativen Ladungen nicht gestört, jedoch an den Oberflächen entsteht links eine Schicht von überschüssigen gebundenen positiven Ladungen und rechts eine solche von negativen Ladungen. Durch das elektrische Feld dieser positiven gebundenen Ladungen werden links negative freie Ladungen von der Masse her angezogen, die sich dann auf Elektrode 5 aufhalten, bezw. die positive Ladung abgestossen die auf die Masse abfliessen. Rechts werden durch das Feld der negativen gebundenen Ladungen von Elektrode 6 positive freie Ladungen von der Steuerelektrode 7 des Feldeffekttransistors 8 auf die Elektrode 6 gezogen, bzw. freie negative Ladungen auf die Steuerelektrode des Felcleffekttransistors 8 hinübergestossen. Diese letzteren Ladungen 9 wirken durch ihr elektrisches Feld auf den Kanal 10 des Feldeffekttransistors 8 ein und bewirken je nach Typ des Feldeffekttransistors eine Vergrösserung oder Verkleinerung des Kanalwiderstandes. Diese Veränderung des Widerstandes kann auf einfache Weise gemessen werden, indem von einer Spaimungsquelle 11 über einen Widerstand 12 ein Strom über Kanal 10 des Feldeffekttransistors 8 geführt wird, der an diesem einen Spannungsabfall bewirkt, welcher mit einem Oszillographen 13 oder irgend einem anderen Spannungsanzeige- oder Schreibgerät gemessen werden kann.Quartz, acts and this presses together along its y-axis arise in quartz deformations that are a different displacement of the atomic electrical Result in charges. The totality of the positive charges 3 can, as indicated is slightly to the left and all of the negative charges 4 slightly to the right be moved. Inside the crystal this creates the balance of positive and negative charges are not disturbed, but one arises on the left at the surfaces Layer of excess bound positive charges and right one such of negative charges. By the electric field of these positive bound charges negative free charges are attracted from the mass on the left, which then stay on electrode 5, respectively. the positive charge repelled the on the ground flow away. Right are bound by the field of negative charges from electrode 6 positive free charges from the control electrode 7 of the field effect transistor 8 on the electrode 6 drawn, or free negative charges on the control electrode of the Field effect transistor 8 pushed over. These latter charges 9 act through their electric field on the channel 10 of the field effect transistor 8 and cause depending on the type of field effect transistor, an increase or decrease in the Channel resistance. This change in resistance can be measured in a simple manner are by from a Spaimungsquelle 11 over a resistor 12 a current Channel 10 of the field effect transistor 8 is performed, the voltage drop across this causes which with an oscilloscope 13 or any other voltage display or writing instrument can be measured.

Jede Veränderung des Kanalwiderstandes bewirkt eine Spannungsänderung am Kanal selbst, die dann vom Messinstrument angezeigt wird, d. h. indirekt wird die Grösse der Kraft P, die auf den piezoelektrischen Quarz 2 einwirkt, zur Anzeige gebracht. Die vorher erwähnten abgestossenen negativen Ladungen 9 können unter Umständen teilweise über einen Widerstand 14 auf Masse abfliessen, wodurch deren Fähigkeit auf die Steuerelektrode 7 des Feldeffekttransistors 8 einzuwirken verloren geht. Diese Ableitungsmöglichkeiten bestehen im praktischen Fall in der begrenzten Isolierfähigkeit der eingeschalteten Verbindungsmittel wie Kabel, Buchsen etc.Every change in the channel resistance causes a change in voltage on the duct itself, which is then displayed by the measuring instrument, d. H. becomes indirect the magnitude of the force P, which acts on the piezoelectric quartz 2, for display purposes brought. The aforementioned repulsed negative charges 9 can under certain circumstances partially flow through a resistor 14 to ground, whereby their ability to act on the control electrode 7 of the field effect transistor 8 is lost. In the practical case, these derivation possibilities consist in the limited insulation capacity the connected means of connection such as cables, sockets etc.

Figur 2 Zeigt das Kraft-Zeitdiagramm der konstanten Stempeikraft P, welche eine kurze Zeit auf einen Kristall einwirkt. Dies entspricht im Diagramm einem Rechteckimpuls. Figure 2 shows the force-time diagram of the constant punch force P, which acts on a crystal for a short time. This corresponds to the diagram a square pulse.

Figur 3 zeigt das mit dem Oszillographen 14 gemessene Spannungs-Zeit-Diagramm des Impulses nach Figur 2. Infolge Abfliessens eines Teiles der Ladung durch oben erwähnte Isolatoren entsteht ein Spannungsverlust 15 der bei der Entlastung des Quarzes sogar ein verkehrtes Signal 16 entstehen lässt.FIG. 3 shows the voltage-time diagram measured with the oscilloscope 14 of the impulse according to FIG. 2. As a result of part of the charge flowing off through the top mentioned insulators results in a voltage loss 15 of the in the Relief of the quartz even allows a wrong signal 16 to arise.

Es ist ein viel beanstandeter Nachteil der piezoelektrischen Messmethode, dass solche Ladungsverluste nicht vollständig vermieden werden können, obwohl man nicht absichtlich einen solchen Widerstand 14 einbauen wird, insbesondere wenn lang andauernde Drücke gemessen werden sollen, wo der Fehler besonders stark zum Ausdruck kommt. Die Ladungen der Piezokristalle sind sehr klein, und die geringe Leitfähigkeit des Quarzes genügt um solche Spannungsverluste 15 (s. Fig. 3) zÜ verursachen, und es entstehen nach Entfernen der Stempelkraft Nullpunktfehler 16 (s. Fig. 3) die erst nach sehr langer Zeit verschwinden. Um sofort wieder den richtigen Nullpunkt herzustellen um weiter messen zu können, ist es notwendig über eine (nicht eingezeichnete3 Erdtaste Elektrode 6 (Fig. 1) mit Erde zu verbinden um die noch vorhandenen Ladungen abzuleiten. Die Erscheinung, dass nach Entlastung ein negatives Signal 16 gemessen wird erMärt sich dadurch, dass die gebundenen negativen Oberflächenladungen des Quarzes verschwinden und die positiven freien Ladungen auf der Elektrode 6, die durch das elektische Feld der gebundenen Ladungen festgehalten waren, freigeben. Ursprünglich vor der Balstung und Polarisation des Kristalls waren positive und negative freie Ladungen iih isolierten System bestehend aus Elektrode G Steuerelektrode 7 und Verdindung der beiden im Gleichgewicht. Da nun während der Belastung und Verschiebung der Ladung innerhalb dieses isolierten Systems ein Teil der negativen Ladung über Widerstand 14 abgeflossen ist, während die positiven freien Ladungen vollumfänglich auf der Elektrode 6 erhalten geblieben sind, entsteht nach der Entlastung des Quarzes und Aufhebung der Ladungsverschiebung im isolierten System ein Ueberschuss an positiven Ladungen» die sich gleichmässig auf dem isolierten System von der Elektrode 6 bis zur Steuerelektrode 7 inklusiv Verbindungsdraht verteilen und mittels Steuerelektrode 7 auch auf den Feldeffekttransistor 8 einwirken, was zu einer Anzeige einer negativen Kraft 16 führt. Die vorher iiber Widerstand 14 abgeflossenen negativen Ladungen fliessen über den gleichen Weg zurück und kompensieren diese positiven Ueberschussladungen, wodurch diese negative Kraftanzeige langsam verschwindet. Die Forderungen nach ausserordentlich guten Isolationswiderständen, welche die Grös -senordnung 1014 Ohm erreichen müssen, werden oft vom Benützer der piezoelektrischen Messmethode als lästig empfunden, besonders wenn man lange Uebertragungsleitungen zwischen piezoelektrischem Aufnehmer und Ladungsverstärker, d. h. in unserem Fall d em F dem Feldeffekttransistor, nötig sind. Das piezoelektrische System ist somit nur für die Messung dynami -scher Vorgänge geeignet, immerhin können solche Messysteme aber quasistatisch geeicht werden.It is a much criticized disadvantage of the piezoelectric measurement method, that such charge losses cannot be completely avoided, although one will not intentionally incorporate such a resistor 14, especially if long Continuous pressures should be measured where the error is particularly pronounced comes. The charges of the piezocrystals are very small, and the conductivity is low of the quartz is sufficient to cause such voltage losses 15 (see Fig. 3) and after removing the punch force, zero point errors 16 (see FIG. 3) arise only disappear after a very long time. To get back to the correct zero point immediately In order to be able to continue measuring, it is necessary to use a (not shown 3 Earth button electrode 6 (Fig. 1) to connect to earth around the remaining charges derive. The phenomenon that after discharge a negative signal 16 is measured This is explained by the fact that the bound negative surface charges of the Quartz disappear and the positive free charges on the electrode 6, the were held by the electric field of the bound charges, release. Originally before the balusters and polarization of the crystal were positive and negative free charges iih insulated system consisting of electrode G control electrode 7 and union of the two in equilibrium. Since now during the load and shift the charge within this isolated system transfers part of the negative charge Resistance 14 has flowed, while the positive free charges are fully are retained on the electrode 6, arises after the discharge of the quartz and cancellation of the charge shift in the isolated system an excess at positive charges »which are evenly distributed on the system isolated from the electrode 6 up to the control electrode 7 including the connecting wire and using the control electrode 7 also act on the field effect transistor 8, resulting in an indication of a negative Force 16 leads. The negative charges previously drained through resistor 14 flow back the same way and compensate for these positive excess charges, whereby this negative force indicator slowly disappears. The demands for extraordinary good insulation resistance, which must be in the order of 1014 ohms, are often found annoying by the user of the piezoelectric measurement method, especially if you have long transmission lines between piezoelectric transducers and charge amplifiers, d. H. in our case the F the field effect transistor, is necessary are. The piezoelectric system is therefore only for measuring dynamic processes suitable, but such measuring systems can be calibrated quasi-statically.

Nach dem Gedanken der Erfingung sollen die grossen Vorteile piezoelektrischer Quarz-Wandlerelemente, insbesondere deren Robustheit und Betriebs -sicherheit, die geringe Abhängigkeit von Temperatureinflüssen, die Möglichkeiten infolge hoher Eigenfrequenzen piezoelektrischer Messwandler sehr schnelle Vorgänge zu messen» sowie auch der mit keinem anderen Wanderelement erreichte grosse Messbereich beibehalten werden, die Nachteile des unvermeidlichen Verlustes von Messladungen und damit der Beschränkung der Messung auf dynamischer Vorgänge, vermieden werden.According to the idea of invention, the great advantages of piezoelectric Quartz converter elements, in particular their robustness and operational reliability, the low dependence on temperature influences, the possibilities due to high natural frequencies piezoelectric transducer to measure very fast processes »as well as the one with no other wandering element can maintain a large measuring range that Disadvantages of the inevitable loss of measurement charges and thus the limitation the measurement on dynamic processes, can be avoided.

Figur 4 zeigt schematisch den Aufbau eines handelsüblichen Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode. Ein solcher besteht aus einem Siliziumsubstrat 40, in das ein Leiterkanal 41 eindotiert wurde, über den von der Quelle 42 zum Abfluss 43 ein Strom geführt werden kann. Auf diesen Kanal aufgebracht ist eine Isolationsschicht 44. Meistens handelt es sich um Siliziumdioxyd SiO2, also Quarz, auf dem die Steuerelektrode 45 aufgebracht ist. Wird an die Steuerelektrode 45 von aussen her gegenüber dem Abfluss 43 eine Spannung angelegt, entsteht in der Quarzschicht ein elektrisches Feld, das das Siliziumdioxyd polarisiert. Wäre gegenüber der Steuerelektrode 45 nicht der Kanal 41, sondern ebenfalls ein metallischer Leiter, so wäre das Ganze nichts anderes als ein Kondensator und die elektrischen Feldlinien würden auf den inneren Oberflächen des Metalls enden, und weil Ladungen in Leitern sehr mobil sind das Entstehen eines elektrisches Feldes im Innern eines Metalls verhindern. In einem Halbleiter sind jedoch wegen dem Mangel von freien Ladungsträgern die Verhältnisse etwas anders. Das elektrische Feld vermag etwas in den Halbleiter einzudringen und bewirkt dort je nach Richtung des Feldes und Art des Halbleiters eine Verdrängung oder Anreicherung von Ladungsträgern, die entweder eine Erhöhung oder Erniedrigung des Kanalwiderstandes zufolge haben. Dabei ist von Bedeutung, dass das elektrische Feld im Siliziumdioxyd eine dielektrische Polarisation bewirkt, d. h. die elektrischen atomaren Ladungen werden ebenfalls verschoben, wie es oben schon im Zusammenhang mit dem Piezoeffekt erklärt wurde, und es entstehen ebenfalls solche Verschiebungsoberflächenladungen, welche das elektrische Feld um ein Mehrfaches verstärken und damit die Einwirkung auf den Halbleiter um den gleichen Faktor vergrössern. Ein solches durch die dielektrische Polarisation erzeugtes Zusatzfeld entsteht auch, wenn die dielektrische Polarisation nicht durch ein primäres elektrisches Feld erzeugt worden ist, sondern z. B. durch den Piezoeffekt, und es bleibt sich gleich In bezug auf den Halbleiter ob das Feld durch eine Elektrode und äussere Spannung plus Polarisation oder nur durch Polarisation allein erzeugt worden ist.Figure 4 shows schematically the structure of a commercially available field effect transistor with isolated control electrode. Such consists of a silicon substrate 40, into which a conductor channel 41 was doped, via the from the source 42 a stream can be led to the drain 43. Is applied to this channel an insulation layer 44. Mostly it is silicon dioxide SiO2, so Quartz on which the control electrode 45 is applied. Is attached to the control electrode 45 applied from the outside against the drain 43, a voltage arises in the Quartz layer creates an electric field that polarizes the silicon dioxide. Would be opposite of the control electrode 45 not the channel 41, but also a metallic conductor, so the whole thing would be nothing more than a capacitor and the electric field lines would end up on the inner surfaces of the metal, and because charges in conductors the creation of an electric field inside a metal is very mobile impede. In a semiconductor, however, are because of the lack of free charge carriers the circumstances a little different. The electric field can do something in the semiconductor penetrate and cause there depending on the direction of the field and the type of semiconductor a displacement or accumulation of charge carriers, which is either an increase or lowering of the channel resistance. It is important that the electric field in the silicon dioxide causes a dielectric polarization, d. H. the atomic electrical charges are also shifted, as is the case above has already been explained in connection with the piezo effect, and it also arise such displacement surface charges, which the electric field many times over and thus increase the effect on the semiconductor by the same factor. Such an additional field generated by the dielectric polarization also arises, when the dielectric polarization is not generated by a primary electric field has been, but z. B. by the piezo effect, and it remains the same in relation on the semiconductor whether the field through an electrode and external Voltage plus polarization or just by polarization alone.

Der Erfindungsgedanke besteht darin, ein piezoelektrisches Element zu bauen, bei dem die piezoelektrisch erzeugte dielektrische Polarisation in ., .The idea of the invention consists in a piezoelectric element to build, in which the piezoelectrically generated dielectric polarization in., .

eineni angrenzenden IIalbleiter ein elektrisches Feld erzeugt das gleich wie im oben erklärten Prinzip d er F der Feldeffekttransistoren den Widerstand eines Kanals verändert. Diese Widerstandsänderung kann mit elektrischen Mitteln gemessen werden und ist ein Mass für die Kraft P, die auf das Element einwirkt. An adjacent semiconductor generates an electric field the same as in the principle explained above, the F of the field effect transistors is the resistance of a channel changed. This change in resistance can be achieved by electrical means can be measured and is a measure of the force P that acts on the element.

Figur 5 zeigt schematisch ein Modell eines bekannten Messwandlers ausgebildet zur Kraftmessung. Ein Piezokristall 51 wird zwischen dem Stempel 52 und der Unterlage 53 durch eine Kraft P unter mechanische Druck- oder Zugspannung gesetzt, welche piezoelektrische Polarisation bewirkt. Infolge dieser Polarisation tritt aus den Quarzoberflächen senkrecht zur y-z-Fläche ein elektrisches Feld F aus. Dieses Feld verändert den Widerstand des u-förmigen Iialbleiters 54, der sich auf dieser Oberfläche befindet und auf dieser sehr eng aufliegt oder aufgewachsen ist. 55 und 56 sind die Kontaktstellen mit dem Halbleiter 54, sie sind mit der Messeinrichtung verbunden. Elektrode 57 ist nicht unbedingt notwendig, es ist jedoch vorteilhaft, auf der nicht benutzten Quarzoberfläche die durch die Polarisation auftretenden gebundenen Oberflächenladungen durch eine Elekcrode, die mit dein ffalbleiter verbunden ist, zu neutralisierten, andernfallr auf dieser Seite ebenfalls ein starkes elektrisches Feld auftritt, welches dasjenige, das den halbleiter beeinflussen soll, schwächt. Es ist somit mit diesem Mcsswandler möglich, statische Kräfte, die eine lange Zeit eineinwirken, ständig zu überwachten und zu messen, ohne. dass der Nullpunkt mit der Zeit verloren geht.FIG. 5 schematically shows a model of a known measuring transducer trained for force measurement. A piezo crystal 51 is placed between the punch 52 and the pad 53 by a force P under mechanical compressive or tensile stress set, which causes piezoelectric polarization. As a result of this polarization an electric field F emerges from the quartz surfaces perpendicular to the y-z surface the end. This field changes the resistance of the U-shaped Iialbleisters 54, which is is located on this surface and rests very closely on it or has grown on it is. 55 and 56 are the contact points with the semiconductor 54, they are with the measuring device tied together. Electrode 57 is not absolutely necessary, but it is advantageous on the unused quartz surface, the polarization that occurs bound surface charges by an electrode, which is connected to the conductor is to be neutralized, otherwise it is also a strong electrical power on this side Field occurs which weakens that which is supposed to influence the semiconductor. It is thus possible with this converter to have static forces that last a long time have an effect, constantly monitored and measured without. that the zero point is lost over time.

Zur Signalanzeige ist die Spannungsquelle 57 nöl;ig, sowie das Anzeigegerät 58, welches die Spannungsänderungen misst. Anstelle eines u-förmig ausgelegten Halbleiterkanais 54 kann auch eine Brückenanordnung gewählt werden. Für die Aufbringung des Halbleiterkanals bietet die Transistortechnologie eine Reihe von interessanten Möglichkeiten. So könnte z. B. auf einer Kristallfläche eine Siliziumschicht 59 durch Aufdampfen oder mit chemischen Mitteln ert L werden. In diese Schicht würde nach bekannten Methoden eine P oder N dotierte Halbleiterschicht eindiffundiert.The voltage source 57 and the display device are necessary for signal display 58, which measures the voltage changes. Instead of a u-shaped semiconductor channel 54 a bridge arrangement can also be selected. For the application of the semiconductor channel transistor technology offers a number of interesting possibilities. So could e.g. B. a silicon layer 59 by vapor deposition or on a crystal surface chemical agents can be used. In this layer would be according to known methods a P or N doped semiconductor layer is diffused in.

Es ist aber auch möglich, auf die Kristalloberfläche in amorpher Form direkt dotiertes Halbleitermaterial anzubringen und diesem durch Aetzvorgänge die gewünschte Form zu geben. In Anbetracht der komplexen Arbeitsvorgänge wird üblicherweise nur eine Seite der Piezokristalle mit einer Halbleiter-Schicht belegt, es ist für gewisse Anwendungen aber durchaus denkbar, dass beide Kristallflächen auf diese Weise behandelt werden.But it is also possible on the crystal surface in amorphous form to attach directly doped semiconductor material and this by etching processes to give the desired shape. In view of the complex work processes, it is customary only one side of the piezocrystals is covered with a semiconductor layer, it is for Certain applications, however, are quite conceivable that both crystal faces on this Way to be treated.

Der in Figur 5 dargestellte Messwandler hat nur eine geringe Empfindlichkeit, weil der piezoelektrische Effekt vom Quarz recht schwach ist.The transducer shown in Figure 5 has only a low sensitivity, because the piezoelectric effect of the quartz is quite weak.

Anstatt Quarz wurde Piezokeramik aus Bariumlitanat oder Bleizitkont-Titinat verwendet, deren Piezoeffekt etwa 100 Mal stärker ist als der von Quarz. Auch Kadmiumsulfid wurde verwendet, das gleichzeitig halbleitend und piezoelektrisch ist. Die Praxis im Bau von Messwandlern hat gezeigt, dass Piezokeramik wegen seiner EIysterese, Unlinearität, Temperaturabhängigkeit, Alterungsunbeständigkeit und geringerer Isolation nicht erlaubt, Messzellen von hoher Qualität herzustellen. Die Erfindung sieht vor, trotz dem schwachen Piezoefekt»Quarz zu verwenden, und durch eine konische Formgebung der Kristallstiicke die Kraftlinien zusammenzudränger uin örtlich ein hohes elektrisches Feld zu erzielen, das zu einer bedeuten' den Steigerung der Empfindhchkeit des Wandlers führt.Instead of quartz, piezoceramics were made from barium titanate or lead-calcium-titinate used, whose piezo effect is about 100 times stronger than that of quartz. Also cadmium sulfide was used, which is semiconducting and piezoelectric at the same time. The practice in the construction of instrument transformers has shown that piezoceramics, due to its EIysteresis, Non-linearity, temperature dependence, aging instability and lower insulation not allowed to manufacture measuring cells of high quality. The invention provides despite the weak piezo effect »to use quartz, and by one conical Shaping the crystal pieces to push the lines of force together and locally To achieve a high electric field, which means an increase in sensitivity of the converter leads.

Figur 6 zeigt eine erfindungsgemässe Kristallanordnung bestehend aus einer Anzahl von segmentförmigen Kristallen, bei denen der transversale Piezoeffekt zur Anwendung kommt. Z.ur besseren Sicht ist ein Segment weggelassen. Die Kraft P wirkt auf die Stirnseite der Segmente. Auf den Innenseiten 110 sind wiederum die Halbleiterbahnen 111 aufgebracht, die an den Stirnseiten der Segmente Anschlussstellen 112 aufweisen, die zur Zu- und Wegfüllrung des Stromes durch den Halbleiter dienen. Die zylindersegmentförmigen Kristalle werden mit nicht eingezeichneten plattenförmigen Boden- und Deckstücken in achsialer Richtung zusammengepresst, wobei entsprechende, in diese Platten eingelassene Gegenkontakte, mit dem Halbleiterelement die elektrische Verbindung herstellen.FIG. 6 shows a crystal arrangement according to the invention consisting of a number of segment-shaped crystals, in which the transverse piezo effect is used. A segment has been omitted for a better view. The power P acts on the face of the segments. On the inside 110 are again the Semiconductor tracks 111 applied, the connection points on the end faces of the segments 112, which are used to fill and remove the current through the semiconductor. The cylindrical segment-shaped crystals are plate-shaped with not shown Bottom and cover pieces pressed together in the axial direction, whereby corresponding, mating contacts embedded in these plates, with the semiconductor element the electrical Establish connection.

Figur 7 zeigt einen Schnitt durch die Quarzkristallgruppe an der Stelle A -- A von Figur 6. Das Messelement besteht hier aus 4 Segmenten 120, 121, 122 und 123, die passend in eine dünnwandige Hülse 124 eingebaut sind. Durch Krafteinwirkung in axialer Richtung entsteht in den äusseren Segmentbezirken dielektrische Polarisation 125 die an sich parallel zur x -Achse verlaufen möchte. Durch Beeinflussung seitens des Nachbarsegmentes entsteht eine Abdrängung dieser Vektoren 126 gegen die beträchtliche reduzierte Innenfläche 12i, wodurch eine Konzentration der Polarisations- oder Feldvektoren erreicht wird. Mit einer solchen Anordnung ist somit eine Verstärkung des auf die Halbleiterbahnen einwirkenden elekr trischen Feldes erreichbar.Figure 7 shows a section through the quartz crystal group at the point A - A of Figure 6. The measuring element here consists of 4 segments 120, 121, 122 and 123 which are fitted in a thin-walled sleeve 124. By force in the axial direction, dielectric polarization occurs in the outer segment areas 125 which would like to run parallel to the x -axis. Through influence on the part of the neighboring segment, these vectors 126 are displaced against the considerable ones reduced inner surface 12i, thereby a concentration of the polarization or field vectors is achieved. With such an arrangement is thus a reinforcement of the Semiconductor tracks acting elekr tric field attainable.

Die Erfindung gestattet somit eine wesentliche Erweiterlmg der bestehenden Quarz-Piezomesstechnik, indem die Feldeffekt-Transistortechnik mit dem Piezoeffekt auf eine neue Art vereint wird, wobei aber keine elektrostatische Ladungen mehr als Signnl auftreten, sondern wo vom Piezoeffekt nur noch der erzeugte dielektrische Polarisation des Kristallmaterials und die damit im Zusammenhang stehende Feldwirkung von Bedeutung sind. Die Piezomesstechhik kann damit von der rein dynamischen Anwendungstechnik in die quasi statische und statische übergeführt werden, ohne dass ihre grossen Vorteile verlorengehen.The invention thus permits a substantial expansion of the existing ones Quartz piezo measurement technology by using the field effect transistor technology with the piezo effect is united in a new way, but no more electrostatic charges occur as Signnl, but where only the generated dielectric effect of the piezo effect Polarization of the crystal material and the associated field effect are important. Piezometry can thus move from purely dynamic application technology into the quasi-static and static ones, without their big ones Advantages are lost.

Claims

X Piesoelectric transducer for use in force, pressure or Acceleration transducers, with a piezoelectric crystal array, which due to the action of a mechanical force, dielectric polarization in the crystal material and thus an electric field is generated outside the crystal, which directly applied to a surface of the crystal that intersects the direction of polarization Italbleiterpfad acts in such a way that its electrical resistance depends on the piezoelectrically generated field and thus it is influenced by the applied force, characterized in that pieces by a conical shape of the crystal An intensified electric field is achieved at the location of the semiconductor paths.

2. Piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that that the transverse piezo effect is used and that at least one surface of the piezocrystal has a semiconductor layer (59) in which one or more Resistance paths (54) are diffused, which at least part of a Wheatstone Form a bridge circuit.

3. Piezoelectric transducer according to patent claim 1 or 2, thereby characterized in that the piezocrystals are designed in the form of a cylinder segment are.

4, piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that that the piezoelectric longitudinal effect is used.

5. Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric polarization is due to a shear effect is produced.