DE2333964A1 - SIGNAL CONVERTER WITH A THICK SHEAR QUARTZ CRYSTAL RESONATOR - Google Patents
SIGNAL CONVERTER WITH A THICK SHEAR QUARTZ CRYSTAL RESONATORInfo
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Description
"Signalumformer mit einem Dickenscherungs-Quarzkristallresonator" Die Erfindung betrifft einen Signalumformer mit einem Dickenscherungs-Quarzkristallresonator, welcher zwischen einem Basisglied und einer Membran angeordnet ist, wobei das Basisglied und die Membran im wesentlichen durch den Durchmesser des Resonators getrennt sind. Ein derartiger Quarzkristallresonator ist insbesondere geeignet zur Umformung von Druck- oder Kraftänderungen in proportionale Frequenzänderungen."Signal converter with a thickness-shear quartz crystal resonator" The invention relates to a signal converter with a thickness-shear quartz crystal resonator, which is disposed between a base member and a membrane, the base member and the diaphragms are separated substantially by the diameter of the resonator. Such a quartz crystal resonator is particularly suitable for reshaping Changes in pressure or force in proportional frequency changes.
Es ist bekannt, daß es zwischen der auf eine derartige Vorrichtung ausgeübten Kraft und der Frequenzänderung eine lineare Beziehung gibt. Auch sind Untersuchungen bekannt, bei denen die Frequenzänderung als Funktion der Richtung der aufgebrachten Kraft gemessen wurde. Dabei wird die Richtung der aufgebrachten Kraft bezüglich der Ausrichtung der kristallinischen Achsen gemessen. Die meisten derartigen Messungen wurden bei AT-Quarzplatten vorgenommen.It is known that there is between the on such a device exerted force and the change in frequency gives a linear relationship. Also are Investigations known in which the frequency change as a function of the direction the applied force was measured. In doing so, the direction of the applied Force measured with respect to the alignment of the crystalline axes. Most such measurements have been made on AT quartz plates.
Die herkömmlichen Meßwertumformer für Kräfte mit Kristallresonatoren haben jedoch den Nachteil, daß sie Federn oder andere Einrichtungen erfordern, um die zu messende Kraft auf den Kristallresonator zu übertragen. Die Verwendung von unterschiedlichen Materialien in Verbindung mit dem Kristallresonator führt zu einer Nicht-Linearität der Ausgangsfunktion und zu einer niedrigen Empfindlichkeit. Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich, wenn Verbindungsstellen aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Wenn die beiden Materialien starr miteinander verbunden werden, rufen Temperaturänderungen thermische Spannungen hervor, welche oft zum Zerbrechen des dünnen Kristallresonators führen. Falls die Stücke lediglich durch Federn im Kontakt miteinander gehalten werden, ändert die angelegte Kraft den Kontaktbereich zwischen den Teilen; die Messungen sind daher nur bedingt wiederholbar.The conventional transducers for forces with crystal resonators however, have the disadvantage that they require springs or other devices to to transmit the force to be measured to the crystal resonator. The usage of different materials in connection with the crystal resonator leads to a Output function non-linearity and low sensitivity. One particular difficulty arises when joints are made of different materials getting produced. If the two materials are rigidly connected to each other, temperature changes cause thermal stresses, which often lead to breakage of the thin crystal resonator. If the pieces are only held by springs in the Are maintained in contact with each other, the applied force changes the area of contact between the parts; the measurements can therefore only be repeated to a limited extent.
Aus US-PS 3 561 832 ist ein Druckübertrager bekannt geworden, welcher.ausschließlich aus kristallinischem Quarz besteht und die vorgenannten Nachteile nicht aufweist. Dieser Druckübertrager ist jedoch schwierig herzustellen.A pressure transmitter has become known from US Pat. No. 3,561,832, which exclusively consists of crystalline quartz and does not have the aforementioned disadvantages. However, this pressure transmitter is difficult to manufacture.
Der Erfindung liegt die Aufyabezugrunde, einen Signalumformer der eingangs angegebenen Gattung zu schaffen, welcher derart aufgebaut und zusammengefügt ist, daß er die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.The invention is based on the task, a signal converter To create the genus specified at the outset, which is constructed and assembled in such a way is that it does not have the aforementioned disadvantages.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Basisglied aus kristallinischem Quarz besteht, ein Träger aus kristallinischem Quarz an dem Basisglied befestigt und zu diesem kristallografisch ausgerichtet ist und eine Bezugsfläche im Abstand von dem Basisglied aufweist, der Resonator mit dem Basisglied an einer ausgewählten Stelle an seiner Peripherie verbunden, im wesentlichen kristallografisch ausgerichtet und im wesentlichen bezüglich der Bezugsfläche rechtwinklig angeordnet ist, eine kristallinische Quarzmembranmit imwesentlichen ebener Form an dem Träger entlang dessen Referenzflache befestigt und zu dieser kristallografisch ausgerIchtetund t dem Resonator rechtwinklig an einer Stelle am Umfang des Reson-ators verbunden ist, die der ausgewählten Stelle auf dem Umfang gegenüberliegt, an welcher der Resonator mit dem Basisglied verbunden ist, und Elektroden an dem Resonator angeordnet sind, über welche ein Schwingungen erzeugendes elektrisches Feld in dem Resonator angelegt werden kann.This object is achieved according to the invention in that the base member made of crystalline quartz, a carrier made of crystalline quartz on the Base member is attached and aligned crystallographically to this and a reference surface having at a distance from the base member, the resonator with the base member at one selected point on its periphery, essentially crystallographically aligned and arranged substantially at right angles with respect to the reference surface is a crystalline quartz membrane of substantially planar shape on the support attached along its reference surface and aligned crystallographically to this t connected to the resonator at right angles at one point on the circumference of the resonator is that of the selected location on the Opposite circumference, at which the resonator is connected to the base member, and electrodes on the Resonator are arranged, via which a vibration generating electrical Field can be applied in the resonator.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Quarz-Druckübertragers; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Kraftübertragers; Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Druckübertragers; Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Differenz-Druckübertragers; Fig. 5 ein Diagramm, aus welchem die Veränderung des Druck/ Frequenzkoeffizienten als Funktion der Änderungen des Azimut-Winkels W des Resonators hervorgeht; Fig. 6 ein Diagramm, aus welchem die Veränderungen des Kraft/ Frequenzkoeffizienten bei Änderungen der Resonatorgeometrie hervorgeht; Fig. 7 ein Diagramm, aus dem die Veränderung des invertierten Produktes aus der Frequenz und der Güte des Resonators sowie der Resonatorgeometrie beijgegebenen Bedingungen hervorgeht; Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Ausführungsform eines Druckumformers, woraus das Verhältnis des effektiven Plattenbereichs zu dem physikalischen Plattenbereich bei Änderungen der Plattenstärke hervorgeht; Fig. 9 ein Diagramm, welches auf die Ausführungsform eines Druckumformers bezogen ist, welche die Veränderung der maximalen Zugfestigkeit in der Platte bei Änderungen der Plattenstärke darstellt.The following are preferred embodiments of the invention explained with reference to the drawings; The figures show: FIG. 1 a perspective view a quartz pressure transmitter; 2 shows a perspective view of a force transmitter; 3 shows a perspective view of another embodiment of a pressure transmitter; 4 shows a perspective view of another embodiment of a differential pressure transmitter; 5 shows a diagram from which the change in the pressure / frequency coefficient as a function of changes in the azimuth angle W of the resonator; Fig. 6 is a diagram from which the changes in the force / frequency coefficient at Changes in the resonator geometry can be seen; 7 is a diagram from which the change the inverted product of the frequency and the quality of the resonator and the Resonator geometry for the given conditions; Fig. 8 is a diagram for Explanation of the embodiment of a pressure converter, from which the ratio of the effective disk area to the physical disk area when the Plate thickness shows; 9 is a diagram which refers to the embodiment of a Pressure transducer, which changes the maximum tensile strength in of the plate when the plate thickness changes.
In Fig. 1 ist die bevorzugte Ausführungsform des Signalumformers als Druckmeßfühler dargestellt. Eine Resonatorscheibe 11, ein Basisglied 12 und eine Platte 13 bestehen aus kristallinischem Quarz. Die Platte 13 ist hinreichend dünn, so daß sie sich unter der Wirkung des angelegten Druckes in einem ausgewählten Bereich durchbiegt. Der Resonator 11 enthält eine Scheibe im AT-Schnitt, welche innerhalb des Druckumformers 10 derart ausgerichtet ist, daß deren kristallinische X-Achse rechtwinklig zu der Platte 13 und der inneren ebenen Fläche des Basisgliedes 14 ist. Zwei Elektroden 15 sind auf den Resonatorflächen 16 und längs der Unterseite der Platte 13 auf die Außenseite des Basisgliedes 12 aufgedampft. Die Verbindungsstellen zwischen der Platte und dem Basisglied 17, dem Basisglied und dem Resonator 18 und dem Resonator und der Platte 19 bestehen aus entglastem Glas. Die Zusammensetzung dieses Materiales ist derart, daß die kristallinische Struktur an jeder Verbindungsstelle, 17,18, 19 kontinuierlich ist.In Fig. 1, the preferred embodiment of the signal converter is as Pressure sensor shown. A resonator disk 11, a base member 12 and a Plate 13 are made of crystalline quartz. The plate 13 is sufficiently thin, so that they are under the effect of the applied pressure in one selected area deflects. The resonator 11 contains a disk in the AT section, which is aligned within the pressure converter 10 such that their crystalline X-axis perpendicular to plate 13 and the inner planar surface of the base member 14 is. Two electrodes 15 are on the resonator surfaces 16 and along the bottom of the plate 13 is vapor-deposited onto the outside of the base member 12. The connection points between the plate and the base member 17, the base member and the resonator 18 and the resonator and the plate 19 are made of vented glass. The composition this material is such that the crystalline structure at each junction, 17, 18, 19 is continuous.
In Fig. 2 ist die bevorzugte Ausführungsform des Umformers als Druckmeßfühler 20 dargestellt. Die Resonatoren 21, das Basisglied 22 und die Platte 23 bestehen aus kristallinischem Quarz.In Fig. 2 is the preferred embodiment of the transducer as a pressure sensor 20 shown. The resonators 21, the base member 22 and the plate 23 are made made of crystalline quartz.
Jeder der Resonatoren 21 besteht aus einer Scheibe im AT-Schnitt, welche innerhalb des Druckumformers 20 derart ausgerichtet ist, daß ihre kristallografische X-Achse rechtwinklig zu dem Basisglied 22 und der Platte 23 ist. Auf den Resonatorflächen 26 sind Elektroden 25 aufgedampft, welche geeignete elektrische Verbindungen ergeben. Die Verbindungsstellen 27 zwischen den Resonatoren 21, dem Basisglied 22 und der Platte 23 sind aus entglastem Glas hergestellt. Die kristallografische Orientierung jedes Stückes ist derart gewählt, daß die kristallinische Struktur in jeder Verbindung 27 kontinuierlich ist.Each of the resonators 21 consists of a disc in the AT section, which is aligned within the pressure transducer 20 so that their crystallographic X-axis is perpendicular to base member 22 and plate 23. On the resonator surfaces 26 electrodes 25 are vapor-deposited, which produce suitable electrical connections. The connection points 27 between the resonators 21, the base member 22 and the Plate 23 are made from glass that is removed from glass. The crystallographic orientation each piece is chosen so that the crystalline structure in each compound 27 is continuous.
Die Umformeranordnungen 10 und 20 gemäß Fig. 1 und 2 haben verschiedene Vorteile: 1. Die Meßempfindlichkeit ist hoch, da der Resonator an diametral gegenüberliegenden Punkten entlang der kristallinischen Achse belastet wird, welche den höchsten Kraft/Frequenkoeffizienten aufweisen.The converter assemblies 10 and 20 according to FIGS. 1 and 2 have different ones Advantages: 1. The measurement sensitivity is high because the resonator is diametrically opposite Points along the crystalline axis which have the highest force / frequency coefficient exhibit.
2. Thermisch bedingte Spannungen und die sich daraus ergeben Fehler sind klein, da die Umformerbauteile die gleiche 'iristallgitterorientierung aufweisen.2. Thermally induced stresses and the resulting errors are small because the transducer components have the same 'metallic lattice orientation.
3. Nicht-elastische Fehler, beispielsweise Hysterese Fehler sind klein, da der kristallinische Quarz sich elastisch verhält.3. Non-elastic errors, e.g. hysteresis errors are small, because the crystalline quartz behaves elastically.
4. Die Messungen sind genau und wiederholbar, da der Resonator starr an dem Basisglied und der Platte befestigt ist. Dadurch wird ein konstanter Kontaktbereich zwischen dem Resonator und den die Kräfte übertragenden Elementen erreicht.4. The measurements are accurate and repeatable because the resonator is rigid is attached to the base member and the plate. This creates a constant contact area reached between the resonator and the elements transmitting the forces.
5. Durch die gewählte Anordnung ist die Herstellung jeder Ausführungsform des Signalumformers relativ einfach.5. The arrangement chosen allows the manufacture of each embodiment of the signal converter relatively simple.
Andere Ausführungsformen von Druckumformern sind in Fig. 3 und 4 dargestellt. Gemäß Fig. 3 ist ein Druckumformer dargestellt, bei dem der Druck in einer Kammer 38 nur auf die Platte 33 wirkt.Other embodiments of pressure transducers are shown in FIGS. According to Fig. 3, a pressure transducer is shown in which the pressure in a chamber 38 acts only on the plate 33.
Die Kammer 38 ist in einem festen Abstand zu dem Basisglied durch einen oder mehrere Träger 39 angeordnet. In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung als Differenz-Druckumformer 40 dargestellt. Strömungsmittel mit den zu vergleichenden Drücken werden in zwei Kammern 48 eingeführt, wo sie auf Platten 43 auftreffen, die an diametral gegenüberliegenden Stellen auf der Peripherie des Resonators 41 befestigt sind. Die mechanische Spannung im Resonator 41 ist daher proportional dem Druckunterschied. tlerköszmliche O-Ringe 49 halten den Druckunterschied zwischen den Kammern 48 aufrecht. Der Umformer 40 besteht aus Quarz und der Aufnahmebehälter 50 kann aus irgendeinem geeignetem Material bestehen.The chamber 38 is at a fixed distance from the base member through one or more carriers 39 are arranged. In Fig. 4 is another embodiment of the invention shown as a differential pressure transducer 40. Fluid with the Pressures to be compared are introduced into two chambers 48, where they are placed on plates 43 impinging at diametrically opposite points on the periphery of the Resonator 41 are attached. The mechanical stress in the resonator 41 is therefore proportional to the pressure difference. Molecular O-rings 49 hold the pressure difference between the chambers 48 upright. The converter 40 consists of quartz and the receptacle 50 can be made of any suitable material.
A. Resonatordimensionierung Die Schwingungsfrequenz eines Resonators im Dickenscherungsbetrieb ist näherungsweise: dabei bedeuten C. .: Elastizitätsmodul des i7 jeweiligen Kristalles t: Resonatorstärke Resonatordichte Aus Gleichung 1 geht hervor, daß in erster Näherung die Frequenz unabhängig von dem Durchmesser des Resonators ist.A. Dimensioning of the resonator The oscillation frequency of a resonator in thickness shear mode is approximately: C. ..: modulus of elasticity of the respective crystal t: resonator strength resonator density From equation 1 it can be seen that in a first approximation the frequency is independent of the diameter of the resonator.
Da sich die Größen für t, Cj und s mit der Temperatur und der Spannung ändern, ist die Frequenz eine Funktion der Temperatur und der Spannung. Diese Schwingungsfrequenz eines Resonators im AT-Schnitt kann durch folgende Formel ausgedrückt werden: (2) f = A + BF es bedeuten: A =Ag . (1+A1T + A2T2 +A3T3) B = Bo . (1 + B1T) F: Kraft T: Temperatur A., B. = Konstanten des jeweiligen 1 1 Resonators Wenn Resonatoren im AT-Schnitt zur Frequenz steuerung verwendet werden, wird der Wert für B in der Regel klein bemessen, indem der Kristall auf der für die Kraft unempfindlichen Achse (W 60 gemäß Fig. 5) starr angeordnet ist. Bei den Ausführungsformen von Kraft- oder Druckumformern wird der Koeffizient für B jedoch heraufgesetzt, während der Temperaturkoeffizient praktisch zu Null gemacht wird, indem die Anordnung bei einer Temperatur betrieben wird, bei welcher die Ableitung von A bezüglich der Temperatur näherungsweise Null ist.Since the quantities for t, Cj and s vary with the temperature and the voltage change, the frequency is a function of temperature and voltage. This vibration frequency of a resonator in the AT section can be expressed by the following formula: (2) f = A + BF it means: A = Ag. (1 + A1T + A2T2 + A3T3) B = Bo. (1 + B1T) Q: Force T: temperature A., B. = constants of the respective 1 1 resonator If resonators are used in the AT cut for frequency control, the value for B in the Usually dimensioned small by placing the crystal on the axis that is insensitive to the force (W 60 according to FIG. 5) is arranged rigidly. In the embodiments of power or For pressure transducers, however, the coefficient for B is increased, while the temperature coefficient is made practically zero by operating the assembly at one temperature at which the derivative of A with respect to temperature is approximately zero is.
Eine Veränderung des Kraft/Frequenzkoeffizienten bei Änderungen in der Geometrie der Resonatorplatte ist in Fig. 6 dargestellt.A change in the force / frequency coefficient with changes in the geometry of the resonator plate is shown in FIG.
Die Kurve kann beschrieben werden durch die Formel: dabei bedeutet: a die Spannung im Mittelpunkt des Resonators in der X-Richtung.The curve can be described by the formula: where: a means the voltage at the center of the resonator in the X direction.
Bei dem Umformer wird die Auflösung für die Kraft optimiert, d.h. In the converter, the resolution is optimized for the force, ie
dabei bedeutet: : Kurzzeitstabilität des Resonators Inversion des Kraft/Frequenzkoeffizienten Die Kurzzeitstabilität des Resonators ist direkt auf die Resonatorgüte (Q) bezogen, wobei große Werte für Q für kleine Werte von erforderlich sind.where means: : Short-term stability of the resonator Inversion of the force / frequency coefficient The short-term stability of the resonator is directly related to the resonator quality (Q), with large values for Q for small values of required are.
Fig. 7 stellt das Verhältnis zwischen der Resonatotgüte Q und der Resonatorgeometrie bei einem bestimmten Resonator dar.Fig. 7 shows the relationship between the Q of the resonance Q and the Represents resonator geometry for a specific resonator.
Der Extremwert des Auflösungsvermögens für die Kraft kann optimiert werden durch folgende Maßnahmen: 1. Die Resonatorgüte maximal gemacht wird, indem eine geeignete Resonatorfrequenz und ein geeignetes Verhältnis des Durchmessers zur Stärke gewählt wird, 2. der Kraft/Frequenzkoeffizient maximal gemacht wird, indem das geeignete Produkt des Durchmessers und der Stärke gewählt wird.The extreme value of the resolving power for the force can be optimized are made by the following measures: 1. The resonator quality is made maximum by a suitable resonator frequency and a suitable ratio of the diameter is chosen for strength, 2. the force / frequency coefficient is maximized, by choosing the appropriate product of the diameter and thickness.
B. Plattenauslegung Die Plattenauslegung für den Kraftumformer wird bestimmt durch die Festigkeitsanforderungen. Demzufolge wird die Platte dick genug gemacht, um Fehler aufgrund von deren Flexibilität minimal zu machen.B. Plate design The plate design for the force transducer is determined by the strength requirements. As a result, the plate becomes thick enough made to minimize errors due to their flexibility.
Die Plattenauslegung für den Druckumformer muß den maximalen Druckbereich, die Empfindlichkeit und die Nicht-Linearität berücksichtigen: 1. Empfindlichkeit: Die Geometrie der Platte bestimmt den wirksamen Bereich der Platte als Druck/Kraftumformer und damit ihre Meßempfindlichkeit. Daher: es bedeuten: A : wirksamer Bereich e F : Kraft auf dem Resonator P : Druck auf der Membran Ein theoretisches Modell des Platten/Resonatorsystemes ergab, daß der wirksame Bereich proportional dem physikalischen Bereich der Platte ist. Das Verhältnis ist in Fig. 8 als Funktion der Plattenstärke angegeben. Die Gültigkeit dieser Beziehung wurde an Hand eines nicht rostenden Stahlmodelles des Umformers überprüft.The plate design for the pressure transducer must take into account the maximum pressure range, the sensitivity and the non-linearity: 1. Sensitivity: The geometry of the plate determines the effective area of the plate as a pressure / force transducer and thus its measuring sensitivity. Therefore: where: A: effective area e F: force on the resonator P: pressure on the membrane A theoretical model of the plate / resonator system showed that the effective area is proportional to the physical area of the plate. The ratio is given in Fig. 8 as a function of the plate thickness. The validity of this relationship was checked using a stainless steel model of the converter.
2. Maximaler Druckbereich: Der maximale Druckbereich des Druckumformer ist durch die maximal zulässige Zugspannung in der Platte begrenzt. Fig. 9 zeigt die Veränderung der maximalen Zugspannung bei Änderungen in der Plattenstärke bei einem bestimmten Modell des übetcs.2. Maximum pressure range: The maximum pressure range of the pressure transducer is limited by the maximum permissible tensile stress in the plate. Fig. 9 shows the change in the maximum tensile stress with changes in the panel thickness a certain model of the uetcs.
Die Sprödigkeit des Quarzes begrenzt dessen Grenzwert der Zuqspannung auf etwa 703 kp/cm2.The brittleness of the quartz limits its limit value of the supply voltage to about 703 kp / cm2.
Der Druckbereich des Umformers ist auch durch die elastische Stabilität der Resonatorscheibe begrenzt, da es sich im wesentlichen um eine am Ende belastete dünne Säule handelt.The pressure range of the converter is also due to the elastic stability the resonator disk, since it was essentially one at the end of the load thin column.
Die Kriterien nach Euler für eine an beiden Seiten eingespannte Säule lauten: es bedeuten: P : kritischer Druck E : Elastizitätsmodul 3. Nicht-Linearität: Es ist schwierig, auf rechnerischem Weg die durch die Platte verursachte Nicht-Linearität des Umformers zu berechnen. Die Empfindlichkeit des Umformers kann ausgedrückt werden durch: Diese Gleichung gibt an, daß der Umformer eine gewisse Nicht-Linearität aufweist, wenn entweder der Druck/Frequenzkoeffizient oder der wirksame Bereich sich mit dem Druck ändert. Dieser Effekt kann minimal gemacht werden, indem die Auslenkung der Platte im Verhältnis zu deren Stärke gering bemessen wird.The Euler criteria for a column clamped on both sides are: where: P: critical pressure E: modulus of elasticity 3. Non-linearity: It is difficult to compute the non-linearity of the transducer caused by the plate. The sensitivity of the converter can be expressed by: This equation indicates that the transducer exhibits some non-linearity when either the pressure / frequency coefficient or the effective range changes with pressure. This effect can be minimized by making the deflection of the plate small in relation to its thickness.
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