DE2202290C2

DE2202290C2 - Druckwandler zum Umwandeln von Flüssigkeitsdrucksignalen in elektrische Signale

Info

Publication number: DE2202290C2
Application number: DE2202290A
Authority: DE
Inventors: Jean Saint Germain en Laye Laurent
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1971-01-19
Filing date: 1972-01-18
Publication date: 1985-01-10
Also published as: NL176604C; ES398977A1; FR2122675A5; DE2202290A1; CA951537A; NL7200679A; NL176604B; US3763464A; GB1334211A; IT946657B

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckwandler zum Umwandeln von Flüssigkeitsdrucksignalen in elektrische Signale mit zwei einander gegenüber und benachbart angeordneten Platten, von denen wenigstens eine flexibel ist und auf ihr ein empfindliches Element befestigt ist, und ein verstärkter die Platten unter Abstand haltender Umfangsteil von einer Dicke größer als die der flexiblen Platten vorgesehen ist und das Ganze in einer dichten Hülle unterbracht ist

Ein solcher Druckwandler ist durch die kanadische Patentschrift 7 44 075 bekanntgeworden.

Hierbei sind die parallelen die piezoelektrischen Elemente tragenden Platten in einem verstärkten Umfangsringkörper in Nuten gelagert Durch diese lose Einspannung bewegen sich die Platten in physikalisch unbestimmter Weise bei ihrer Durchbiegung. Am Rand sind die Platten, um ein besseres Gleiten in den Nuten zu ermögliche, abgerundet. Für stärkere Drücke ist die Einrichtung zudem nicht geeignet. Es ist eine große Präzision in der Herstellung der Nuten, der Platten und beim Einbauen, vermutlich durch Eindrücken, notwendig, zu erreichen, daß wenigstens einige solcher hergestellter Hydrophone bei gleichen Belastungen gleiche Signale liefern. Zudem liegt der Resonanzfrequenzbereich innerhalb des Arbeitsbereichs der Einrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Druckwandler preiswerter, d. h. mit weniger Teilen, reproduzierbareren Meßergebnissen und dies bei konstanter Empfindlichkeit im interessierenden Druck und Frequenzbereich, insbesondere bis 1000 Hz anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe überraschend dadurch, daß das jeweilige empfindliche Element nur im zentralen Teil der flexiblen Platte vorgesehen ist und daß jede flexible Platte am Umfang einteilig mit ihrem verstärkten steifen Umfangsteil ausgebildet ist, ud diese Umfangsteile mit ihrer planen Grundfläche von der Hülle gegeneinander gepreßt sind.

Vorzugsweise wähit man den Abstand zwischen den Platten derart daß deren maximale Durchbiegung, wenn ihre mittigen Teile gegeneinander unter uem Einfluß des ausgeübten Druckes sich abstützen, geringer als die Durchbiegung ist, die eine irreversible Verformung

to der Platten hervorrufen würde.

Zweckmäßig ist die Platte, auf der das empfindliche Element befestigt ist von metallischem Aufbau.

An sich bekannt ist ein Druckwandler der piezoelektrischen Bauart mit einer Scheibe aus einem halbleitenden Material, dessen Umfangsteil eine Dicke größer als die des mittigen Teils aufweist Ein Deckel ist £egen den Umfangsteil durch Grenzschicht verschmelzend befestigt worden. Die Behandlung ist derart vorgenommen, daß die membran praktisch spannungsfrei durch die Behandlung gemacht wird und daß die auf die Membran ausgeübten Beanspruchungen die Wirkung haben, daß der Widerstand des elektrischen Übergangs zwischen den beiden komplementären Zonen der Scheibe verändert wird und so eine elektrische Spannung verändert wird. Es wird ein Gehäuse gebildet, in dem für eine Rekristallisation der Kontaktzone zwischen Deckel und Gehäuse gesorgt wird. Das Gehäuse kann gegebenenfalls evakuiert wurden. Gemeinsamkeiten bestehen insoweit mit dem oben beschriebenen Druckwandler nicht

Es wird ebenfalls nicht verkannt, daß aus der US-PS 33 41 794 sowie der US-PS 34 18 850 ein Übergang zwischen Membran und einstückig hiermit ausgebildetem dickeren Randbereich, der aber nicht piezoelektrisch ist, bekannt ist.

Durch die Maßnahmen nach der Erfindung wird erreicht, daß der Umfangsrii?gträgeieil fortfällt, da die Platten jede bereits einen dickeren Randbereich tragen, daß eine Vereinigung der beiden Platten außer durch die dichte Hülle ebenfalls fortfällt und, da die beiden verdickten Randbereiche lediglich aufeinander gepreßt werden, daß sich reproduzierbarere Meßergebnisse ergeben, da keine sich gegenüber einem Trägerteil verschiebenden Elemente mehr vorgesehen sind, daß aufgrund der interessanten Biegelinie sich eine konstante Empfindlichkeit einstellt und daß ohne Resonanz im interessierenden Druck- und Frequenzbereich, insbesondere bis 1000 Hz, gearbeitet werden kann.
Die Druckwandlereinrichtung nach der Erfindung dient dazu, insbesondere in einem flüssigen Medium zu messen. Die empfindliche Schicht ist in dem Bereich der flexiblen Platte gehalten, in dem eine Umkehr der Bicgekennlinie der Platte bei Druckbeanspruchung nicht zu erwarten ist.

Die Hülle ist im übrigen dicht, aber akustisch transparent.

Interessant ist, daß keinerlei besonderer fester Trägerkörper oder dergleichen notwendig ist. um die beiden Platten gegeneinander zu halten. Es war überrasehend, daß so ein einfacher Aufbau solche hervorragenden Ergebnisse lieferte.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, in denen
Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsvariante der Vorrichtung zeigt, bei der jede der beiden PlaUen einem Druckwandlerelement zugeordnet ist;

Fig. IA zeigt schematisch die Lage, welche von den beiden Platten der Vorrichtung nach Fig. 1 eingenom-

men wird, wenn sie starken Drücken ausgesetzt werden; F i g. 2 zeigt schematisch eine Variante zur Vorrichtung nach F i g. 1;

Fig.3 zeigt schematisch eine zweite Variante der Vorrichtung, bei der nur eine einzige der beiden Platten ein Druckwandlerelement aufweist

Die Vorrichtungen der F i g. 1 und 2 umfassen zwei dünne, flexible und kreisförmige Platten 1 und 3, die einen verstärkten ringförmigen Umfangsteil 2 bzw. 4 aufweisen. Die Dicke dieser Umfangsteile ist beachtlich größerals diejenige des zentralen Teils der Platten.

Die beiden Platten werfen gegeneinander längs der verstärkten Teile gepreßt

Auf den sich nicht gegenüberstehenden Flächen dieser Platten sind empfindliche Druckwandlerelemente 5 is und 7 befestigt, die jeweils mit leitenden, die Außenelektroden bildenden Schichten 6 und 8 versehen sind. Die Platten 1 und 3 können ganz aus Metall bestehen und die zweite Elektrode jedes empfindlichen Elementes 5,7 bilden. Sie können auch teilweise aus Metall bestehen und teilweise aus einem KunststoffmateriaL in diesem Falle beispielsweise wird die zweite Elektrode jedes Wandlerelementes durch eine leitende Schicht gebildet, die auf eine Platte aus einem isolierenden Material auf die mit dem Wandlerelement in Kontakt kommende Fläche abgeschieden wird. In diesen verschiedenen Fällen werden die Außenelektroden 6 und 8 an einen gemeinsamen Leiter 10 angeschlossen, und die Oberflächen der mit einer leitenden Schicht überzogenen flexiblen Platten 1 und 3 werden an einen gemeinsamen Leiter tt gelegt

Aus Fi g. IA erkennt man, daß der Aufbau der Vorrichtung es möglich macht, ohne Beschädigung beachtliche Überdrücke auszuhalten.

Unter dem Einfluß des Druckes wölben die flexiblen Platten 1 und 3 sich nach innen. Von einem gewissen Druckwert ab treten die zentralen Teile der Platten in Kontakt un: stützen sich gegeneinander ab. Die Dicke der verstärkten Umfangsteile 2 und 4 wird derart gewählt, daß die Verformung der Platten nicht irreversibel wird, wenn ihre zentralen Teile unter dem Einfluß des Druckes in Kontakt treten.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung umfaßt ein einziges Wandlerelement 5, das mit-einer Außenelektrode 6 versehen ist und einer flexiblen Platte 1 identisch der bei der vorhergehenden Ausführungsform beschriebenen, zugeordnet und mit einem verstärkten Umfangsteil 2 versehen ist.

Eine flexible Platte 3 stützt sich gegen den Umfangsteil 2 der F'.atte 1 ab.

Eine dichte Umhüllung erhält die gegenseitige Lage der Anordnung aufrecht.

Im Hinblick aui eine knappe Darstellung wurde nur das für die Erfindung als wesentlich Erachtete in die Beschreibung aufgenommen; alles andere wurde fortgelassen. Die verschiedenstartigen Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind selbstverständlich möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckwandler zum Umwandeln von Flüssigkeitsdrucksignalen in elektrische Signale mit zwei einander gegenüber und benachbart angeordneten Platten, von denen wenigstens eine flexibel ist und auf ihr ein empfindliches Element befestigt ist, und ein verstärkter die Platten unter Abstand haltender Umfangsteil von einer Dicke größer als die der flexiblen Platten vorgesehen ist und das Ganze in einer dichten Hülle untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige empfindliche Element (5; 7) nur im zentralen Teil der flexiblen Platte (1; 3) vorgesehen ist und daß jede flexible Platte (1; 3) am Umfang einteilig mit ihrem verstärkten steifen Umfangsteil (2; 4) ausgebildet ist, und diese Urrffaagsteile (2; 4) mit ihrer planen Grundfläche von der Hüiie gegeneinander gepreßt sind.

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Platten (2; 4) derart ist, daß deren maximale Durchbiegung, wenn ihre mittigen Teile gegeneinander unter dem Einfluß des ausgeübten Druckes sich abstützen, geringer als die Durchbiegung ist, die eine irreversible Verformung der Platten (2;4) hervorrufen würde.

3. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte, auf der das empfindliche Elemein befestigt ist, von metallischem Aufbau ist.