DE2505461C2

DE2505461C2 - Meßumformer zum Bestimmen einer ein Substrat verformenden Meßgröße

Info

Publication number: DE2505461C2
Application number: DE2505461A
Authority: DE
Inventors: Anthony John West Hartford Conn. Demaria; Thomas Macklin Glastonbury Conn. Reeder
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1974-02-25
Filing date: 1975-02-10
Publication date: 1987-03-26
Also published as: FR2262288B1; GB1486377A; DE2505461A1; IT1031931B; CA1029122A; SE417870B; FR2262288A1; US3978731A; AU7735175A; SE7501968L; JPS626174B2; JPS50120673A

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßumformer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Druckmeßformer zum Umwandeln von Druck in elektrische Signale, welche mit Test-, Anzeige- und Steuersystemen kompatibel sind, sind bekannt. Viele derartige Druckmeßumformer enthalten Bestandteile wie Magnete, Spulen, Schaltkreise, mechanische Schwingungselemente und Resonanzkristalle. Zum Erzeugen von digitalen Ausgangssignalen mit den bekannten Druckmeßumformern sind auch Verfahren, wie beispielsweise Impuls-Drehmomentsignalgabe und Analog/Digital-Umwandlung bekannt.
Da beispielsweise Turbinentriebwerke und deren Steuerungen an Komplexität zunehmen und zunehmend ungünstigeren Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, sind geeignete Druckmeßumformer erforderlich. Die Verfügbarkeit von kleinen, robusten, zuverlässigen und verhältnismäßig billigen Digitalcomputern hat dazu geführt, daß solche Computer in modernen Turbinentriebwerkssteuerungen zunehmende Verwendung finden. Bekannte Druckmeßumformer haben mit der Technologie der Turbinentriebwerke und deren Regelung aber nicht Schritt gehalten und sind zu teuer, zu groß, nehmen zuviel Leistung auf, sind nicht zuverlässig genug und empfindlich gegen Stöße, Schwingungen, elektromechanische Störungen und Temperaturwechselbeanspruchung. Außerdem haben viele bekannte Meßumformer analoge Ausgangssignale, die mit modernen Digitalsystemen nicht direkt kompatibel sind und zusätzliche elektronische Wandler erfordern.
Ein bekannter Meßumformer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art (US-PS 35 75 050) ist als Ultraschalldurchflußmeßgerät ausgebildet, das zum Messen der Fluidgeschwindigkeit in einem Rohr dient. In dem Fluid werden Longitudinalwellen durch Modenumwandlung erzeugt, die sich in dem Fluid diagonal stromaufwärts und stromabwärts ausbreiten. Die Differenz in der Laufzeit zwischen stromaufwärtigen und stromabwärtigen Komponenten gibt die Strömungsgeschwindigkeit an. Eine Möglichkeit zum Messen der Laufzeitdifferenz besteht bei dem bekannten Ultraschalldurchflußmeßgerät darin, eine kontinuierliche Wellenerregung zu benutzen und die Phasenverschiebung zu messen. Zum genauen Messen der Phasenverschiebung wird ein Phasenschieber benutzt, der auf dem Prinzip basiert, daß die Schallgeschwindigkeit in einem Material in geringem Ausmaß von mechanischen Spannungen in dem Material abhängig ist. Ein Probematerial wird zwischen zwei Biegeteilen angeordnet, die einen Belastungsrahmen bilden. Durch Aufbringen einer Last wird die Probe gebogen, wodurch eine Zugspannung an der oberen Fläche durch die auf die obere Fläche ausgeübte Belastung erzeugt wird. Die Größe der Durchbiegung der Probe wird durch ein Meßinstrument gemessen. Wenn ein Signal an den Sendewandler angelegt wird, um eine Oberflächenwelle an der oberen Oberfläche der Probe zu erzeugen, so wird diese Welle an dem Empfängerwandler empfangen und in ein elektrisches Signal zurückverwandelt, wobei die Verzögerung zwischen dem elektrischen Signal, das an den Sendewandler angelegt wird, und dem elektrischen Signal, welches durch den Empfangswandler erzeugt wird, eine Funktion des auf die Probe ausgeübten Biegemoments ist. Auf diese Weise können kleine Kräfte nicht gemessen werden. Mit dem Phasenschieber des bekannten Ultraschalldurchflußmeßgeräts dürften sich daher Drücke in Gasen und Flüssigkeiten sowie Beschleunigungen, Temperaturen, usw. nicht messen lassen. Weiter ist der Phasenschieber auch nicht zur Verwirklichung in integrierter Schaltungstechnik oder zum Einsatz in der Mikroelektronik geeignet, wo Kleinheit ein ausschlaggebender Faktor ist. Schließlich dürfte sich die Verzögerung zwischen den beiden genannten elektrischen Signalen nicht ohne weiteres digital so auswerten lassen, daß sich direkt der auf die Probe ausgeübte Druck angeben läßt.
Es ist weiter eine Vorrichtung zur Messung der mechanischen Spannung in einem Festkörper bekannt (US-PS 35 87 297), welcher einer Kraft ausgesetzt ist. Ultraschallwandler, die an zueinander rechtwinkligen Seiten des Festkörpers angebracht werden, senden Ultraschallwellen in zwei zueinander rechtwinkeligen Richtungen durch den Festkörper, wobei die von diesen Richtungen aufgespannte Ebene rechtwinkelig zur Krafteinwirkung liegt. Mit Hilfe von zwei weiteren Ultraschallwandlern, welche gegenüber den Ultraschallwandlern angeordnet sind, werden die durch den Festkörper hindurch übertragenen Ultraschallwellen empfangen. Die Ultraschallwandler sind jeweils mit einem Ultrschallwellengeschwindigkeitsmeßgerät verbunden. Aus den Ausgangssignalen der Meßgeräte wird eine temperaturunabhängige Aussage über die mechanische Spannung in dem Festkörper erhalten. Mit dieser bekannten Spannungsmeßvorrichtung soll es möglich sein, einen Druck zu messen. Selbst wenn aber diese Druckmessung möglich sein sollte, können nur sehr große Drücke gemessen werden, da der Festkörper im Vergleich zu den Ultraschallwandlern sehr große Abmessungen hat und in der Richtung, in der er verformt werden soll, nur durch sehr hohe Drücke verformbar sein dürfte. Zumindest dürften sich mit der bekannten Vorrichtung Drücke in Gasen und Flüssigkeiten, sowie Beschleunigungen, Temperaturen, usw. nicht messen lassen. Außerdem ist die bekannte Vorrichtung ganz offensichtlich nicht zur Verwirklichung in integrierter Schaltungstechnik oder zum Einsatz in der Mikroelektronik geeignet. Damit bei der bekannten Vorrichtung überhaupt merkliche Änderungen in der Ausbreitungsgeschwindigkeit auftreten, ist der sehr große Abmessungen aufweisende Festkörper notwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Meßumformer, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß er in integrierter Schaltungstechnik herstellbar und zum Erfassen von Gas- oder Flüssigkeitsdruck verwendbar ist und ein direkt digital auswertbares Signal liefert.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bei dem Meßumformer nach der Erfindung werden Oberflächenschallwellen zum Erfassen von Gas- oder Flüssigkeitsdruck in einer Weise benutzt, die mit Digitalsystemen kompatibel ist. Der Meßumformer nach der Erfindung ist klein, robust, billig herstellbar, hat eine große Meßempfindlichkeit und ist zuverlässig, da er in integrierter Schaltungstechnik herstellbar ist, und außerdem hat er einen niedrigen Leistungsbedarf. Er liefert ein Ausgangssignal, dessen Frequenz eine Funktion der Verformung der Membran ist. Da dieses Frequenzausgangssignal unter Verwendung von Standardfrequenzzählschaltungen leicht in verschiedene Digitalcodegruppen umgewandelt werden kann, ist der Meßumformer nach der Erfindung in Digitalsystemen einsetzbar. Der Schwingkreis mit dem Rückkopplungsverstärker kann mit einer Frequenz schwingen, die sich im Verhältnis zu der Membranverformung und damit zu dem ausgeübten äußeren Druck oder der ausgeübten äußeren Kraft verändert. Wegen der Ausbildung des Substrats als Membran eignet sich der Meßumformer bestens zur Herstellung als Teil einer integrierten Schaltung und ist in der Lage, auch auf kleine Drücke, Beschleunigungen und durch Temperatureinflüsse hervorgerufene Formänderungen anzusprechen.
Als ein Ergebnis des ausgeübten äußeren Druckes oder der ausgeübten äußeren Kraft wird die Membran verformt, was zur Folge hat, daß die mechanische Membranspannung und die Weglänge der Oberflächenschallwellen geändert werden, was wiederum bewirkt, daß die Oberflächenschallwellenausbreitungszeit zwischen den Wandlern verändert wird. Der Schwingkreis des Meßumformers nach der Erfindung könnte zwar in einer Anzahl von Moden schwingen, welche Vielfache der Grundfrequenz sind, die durch die Schallaufzeit über die Membran festgelegt ist, die elektroakustischen Wandler lassens ich jedoch leicht so ausbilden, daß sie als Filter wirken, die nur eine Mode zulassen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
In der Ausgetaltung der Erfindung nach Anspruch 2 kann nur durch eine kleine Veränderung in der Membrankonfiguration der Meßumformer als Beschleunigungsmesser mit digitalem Ausgang verwendet werden. Ein kleines Gewicht wird an der Unterseite der Membran befestigt, wo sich die Oberflächenschallwellen nicht fortpflanzen. Wenn die Membran in ein Gehäuse eingeschlossen ist, welches Druckänderungen eliminiert, so wird durch Beschleunigung des Gewichts und durch die äußere Beschleunigung eine Verformung der Membran erzeugt. Da der Weg der Oberflächenschallwellen über die Membran und die zugeordneten Wandler zusammen mit dem Rückkopplungsverstärker einen Schwingkreis bilden, kann dieser mit einer Frequenz schwingen, die sich im Verhältnis zu der ausgeübten Beschleunigung ändert.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 umfaßt der Meßumformer zusätzlich einen Referenzkanal, welcher entweder keine Membran oder eine Membran enthält, die einem anderen Druck als der Hauptkanal ausgesetzt ist. Die Wege der Oberflächenschallwellen in beiden Kanälen werden so ausgebildet, daß sie die gleiche geometrische Länge haben und eng nebeneinander angeordnet sind, so daß sie auf derselben Temperatur gehalten werden, obgleich sich ihre gemeinsame Temperatur verändern kann. Ein zweiter Schwingkreis, den der weitere Rückkopplungsverstärker mit dem dritten und dem vierten Wandler bildet, schwingt mit einer als Referenzfrequenz bezeichneten zweiten Frequenz. Durch Anlegen eines Abtastwertes der Ausgangsspannung des ersten und des zweiten Schwingkreises an den Mischer wird ein Differenzfrequenzausgangssignal erzielt, welches zu dem Differenzdruck proportional ist. Die Änderungen in der Schwingkreisfrequenz, die durch Temperatur verursacht werden, führen jedoch dazu, daß gleiche Änderungen mit demselben Vorzeichen in beiden Schwingkreisen verursacht werden. Infolgedessen wird das Differenzfrequenzausgangssignal temperaturunabhängig sein.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 12 und 13 kann der Meßumformer nach der Erfindung außerdem zum Messen der mechanischen Spannung oder Dehnung verwendet werden, indem das Substrat bzw. nur die Wandler direkt mit der Oberfläche eines Teils verklebt werden, dessen mechanische Oberflächenspannung gemessen werden soll.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 in schematischer Form eine Seitenansicht eines Meßumformers für einen Druck in geklebter Konfiguration,
Fig. 2 in schematischer Form eine Seitenansicht des Meßumformers für einen Druck in monolithischer Konfiguration,
Fig. 3 in Draufsicht eine schematische Darstellung des Meßumformers für einen Druck und der zugeordneten Rückkopplungsschaltung,
Fig. 4 in Seitenansicht eine schematische Darstellung des Meßumformers für einen Druck und der zugeordneten Rückkopplungsschaltung,
Fig. 5 ein Schema des Meßumformers für einen Druck mit einem besonderen Elektrodenmuster zum Unterdrücken ausgewählter Frequenz- Moden,
Fig. 6A eine Draufsicht auf einen Meßumformer für einen Druck mit zwei Kanälen,
Fig. 6B eine schematische Darstellung der Schaltung des Meßumformers von Fig. 6A,
Fig. 7A eine Draufsicht auf einen gekapselten Meßumformer für einen Druck,
Fig. 7B eine Seitenansicht des gekapselten Meßumformers von Fig. 7A,
Fig. 8 eine Seitenansicht eines Meßumformers für einen Druck bei hohen Tempeaturen,
Fig. 9 eine Seitenansicht eines Meßumformers zur Beschleunigungsmessung und
Fig. 10 eine schematische Ansicht eines Meßumformers zur Spannungs- und Dehnungs- Messung.
Der grundlegende Aufbau eines Druckmeßumformers ist in den Fig. 1 bis 4 dargestellt. Der Meßumformer besteht aus einer druckabhängigen Oberflächenschallwellenverzögerungsleitung und aus einer elektronischen Rückkopplungsschaltung, welche eine durch den ausgeübten Druck festgelegte Schaltungsschwingungsfrequenz liefert.
Die druckabhängige Oberflächenschallwellenverzögerungsleitung besteht aus einem stabilen Substrat 10, einer dünnen, flexiblen Membran 12, die einem Gasdruck P ausgesetzt werden kann und einem ersten und einem zweiten elektroakustischen Wandler 14 und 16, die auf gegenüberliegenden Rändern der Membranoberfläche als Sende- bzw. Empfangseinrichtung für Oberflächenschallwellen hergestellt sind. Abhängig von der gewünschten Herstellungs- und Betriebsart kann die Verzögerungsleitung die eine oder andere der beiden Konfigurationen haben, die speziell in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind. Die Membran 12 in Fig. 1, die aus Metall, Dielektrikum, einem Halbleitermaterial oder Gemischen dieser Materialien bestehen kann, ist mit der Oberfläche des Substrats 10 durch Kleben, Löten, Schweißen, Thermokompression oder andere Verbindungstechniken verbunden, oder die Membran kann auf der Substratoberfläche durch Aufdampfen im Vakuum, HF-Zerstäubung oder chemisches Bedampfen aufgewachsen oder aufgetragen sein. Das Material des Substrats 10, bei welchem es sich ebenfalls um Metall, Dielektrikum oder Halbleitermaterial handeln kann, wird so gewählt, daß es das gewünschte Herstellungsverfahren begünstigt. In dem Fall der Herstellung mittels Kleben, in welchem die Membran 12 und das Substrat 10 als zwei getrennte Bestandteile gehandhabt werden können, wird das Loch in dem Substrat 10, welches die Seitenabmessungen der Membran festlegt, gewöhnlich aus dem Substrat 10 ausgefräst oder ausgeschnitten, bevor die beiden Bestandteile verklebt werden. Wenn man die Membran 12 auf der Oberfläche des Substrats 10 aufwachsen läßt oder auf dieselbe aufträgt, wird das Loch in dem Substrat durch Fräsen, Funkenerosion oder chemische Ätzverfahren gebildet, wie sie häufig bei der Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen angewendet werden.
Bei der monolithischen Konfiguration der Verzögerungsleitung, die in Fig. 2 dargestellt ist, wird eine Membran 12 verwendet, die in einem monolithischen Substrat 10 hergestellt wird. Das Loch, welches die Membranseitenabmessungen festlegt, wird durch Fräsen, Funkenerosion oder chemische Ätzverfahren hergestellt, wie oben erwähnt. Hier kann jedoch die Membrandicke dadurch kontrolliert werden, daß das Loch nur teilweise in das Substrat 10 eingefräst wird und daß anschließend die obere Fläche geschliffen und poliert wird, bis die gewünschte Membrandicke erreicht ist.
Die elektroakustischen Wandler 14 und 16 werden auf der Membran-Substrat-Oberfläche durch Anwendung von Standardverfahren der Mikroelektronik hergestellt. Wenn die Membran 12 ein Metall, Halbleiter oder nichtpiezoelektrisches Dielektrikum ist, wird ein Dünnfilmstreifen 18 aus piezoelektrischem Material, wie beispielsweise ZnO, an den gewünschten Wandlerstellen hergestellt, vorzugsweise durch HF-Zerstäubung. Ein Dünnfilm aus Cr/Au oder aus einem anderen Metall wird häufig aufgebracht, bevor das ZnO aufgebracht wird, um die piezoelektrischen Eigenschaften des Meßumformers zu verbessern. Die Schlüsselkomponente in diesen elektroakustischen Wandlern 14, 16 ist ein Muster aus Elektroden 20, welches durch Vakuumbedampfung und Mikroelektronikmuster-Erzeugung als Dünnfilme auf der Oberseite des piezoelektrischen Dünnfilmstreifens 18 erzeugt wird. Dieses Metallmuster, welches gewöhnlich aus Al besteht, hat Elektroden 20, die entweder in einem Interdigitalmuster oder in einem Gittermuster angeordnet sind. In dem Fall des Interdigitalmusters, der ausführlich in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Breite d und der Abstand der Elektroden 20 so gewählt, daß sie ein Viertel der gewünschten Schallwellenlänge Λ&sub0; (d. h. d=Λ&sub0;/4) betragen. Abwechselnde Elektroden sind miteinander in dem Fall des Interdigitalmusters verbunden, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich. Dagegen wird das Gittermuster (nicht dargestellt) so gewählt, daß die Elektrodenbreite und der Elektrodenabstand gleich der Hälfte der gewünschten Schallwellenlänge ist (d=λ&sub0;/2). In dem Gittermuster sind sämtliche Elektroden parallel geschaltet und es ist wichtig, daß ein metallischer leitender Film, eine leitende Membran oder ein leitendes Substrat unter dem piezoelektrischen Film vorhanden ist. Der Meßumformer wird fertiggestellt, indem Mikroelektronikklebedrähte zum Verbinden des Wandlermusters mit dem übrigen Teil der Druckmeßumformerschaltung verwendet werden.
Eine andere elektroakustische Wandlerkonfiguration kann verwendet werden, wenn das Membranmaterial nutzbar piezoelektrisch ist. Das Wandler-Elektrodenmuster (Interdigital- oder Gittertyp) kann dann direkt auf der Membranoberfläche hergestellt werden, ohne daß ein dazwischen liegender piezoelektrischer Film erforderlich ist. Die effiziente Auslegung sämtlicher oben betrachteter Schallwellen-Meßumformer ist in dem Aufsatz von R. M. White, "Surface Elastic Waves", Proc. IEEE, 58, S. 1238-1276 (August 1970) beschrieben.
Im allgemeinen ist die Verwendung von piezoelektrischen Dünnfilmstreifen 18 von Fig. 1 vorzuziehen, weil die Membran 12 dann im Sinne einer Optimierung ihrer mechanischen Eigenschaften gewählt werden kann, ohne daß der starke Zwang besteht, daß sie auch eine nutzbare piezoelektrische Kopplung besitzen muß. HF-zerstäubtes ZnO ist ein interessantes piezoelektrisches Dünnfilmmaterial für viele Druckmeßumformeranwendungen, weil es an einer Vielzahl von Membranoberflächen fest haftet und weil es eine verhältnismäßig hohe piezoelektrische Kopplung hat. Beispielsweise können mit ZnO elektroakustische Hochleistungswandler auf Siliziummembranen hergestellt werden, sogar wenn das Silizium gutleitend ist, wenn ein Dünnfilm aus Cr/Au zuerst auf die Siliziumoberfläche aufgebracht wird. Das Silizium kann vorher durch geeignete Verfahren dünner gemacht werden, und zwar bis auf eine Dicke in der Größenordnung von 0,054 mm. Nach der Wandlerherstellung kann das Silizium mit einem massiven Metallsubstrat verklebt werden, wie oben erläutert.
Elektroakustische Wandler 14 und 16 aus ZnO können auch für die monolithischen Verzögerungsleitungskonfiguration von Fig. 2 hergestellt werden, bei welcher die Membran 12 zuest aus einem monolithischen Silizium-, Metall- oder dielektrischen Substrat 10 herausgeätzt oder -gefräst wird. Wiederum würde zunächst eine Schicht aus Cr/Au normalerweise auf die Substratoberfläche aufgebracht werden, um die Herstellung und den Wirkungsgrad des ZnO zu verbessern.
Für die Hochtemperaturanwendungen in dem Bereich oberhalb 500°C kann erwartet werden, daß die Verwendung von HF-zerstäubten Dünnfilmen aus AlN, die auf Saphirmembranen aufgebracht sind, von Bedeutung sind. Die AlN/Saphir- Konfiguration hat eine verhältnismäßig starke piezoelektrische Kopplung und zersetzt sich nicht bei Temperaturen von mindestens bis zu 1000°C.
Die Fig. 3 und 4 zeigen den Schaltungsaufbau. Wenn eine Wechselspannung aus einer nicht dargestellten Quelle an ein Klemmenpaar A angelegt wird, wird in dem linken elektroakustischen Wandler 14 ein räumlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt und Oberflächenschallwellen werden durch piezoelektrische Wechselwirkung in den beiden Richtungen normal zu den Elektroden 20 ausgesandt. Gewöhnlich ist es erwünscht, daß nur diejenigen Wellen benutzt werden, die sich nach rechts zu der flexiblen Membran 12 ausbreiten.
Die in der entgegengesetzten Richtung augesandten Wellen können durch Aufrauhen der Oberfläche in dieser Richtung absorbiert werden. Meßumformer mit Interdigital- oder Gitterelektrodenmustern sind am wirksamsten bei Frequenzen in der Nähe der Synchronfrequenz f&sub0;, die festgelegt ist durch
f&sub0; = v _a/Λ&sub0;
wobei v _a die Oberflächenschallwellengeschwindigkeit der Wandler-Membran-Konfiguration und Λ&sub0; die periodische Elektrodenabmessung ist. Im allgemeinen arbeiten diese Wandler wie Filter mit bevorzugten Durchlaßbereichen in der Nähe der Frequenz f&sub0;. Im folgenden wird beschrieben, wie die Wandlerduchlaßbereiche ausgelegt werden können, um den Betrieb des Druchmeßumformers zu optimieren. Die der Frequenz f&sub0; entsprechende Schallwellenlänge ist Λ&sub0;=v _a/f&sub0;. Da die Schallwellengeschwindigkeiten verhältnismäßig klein sind, annähernd 3000 m/s, sind die Oberflächenschallwellenlängen sehr kurz, annähernd 30 µm für einen Betrieb mit 100 MHz. Da die Eindringtiefe einer Oberflächenwelle auf ungefähr eine Wellenlänge begrenzt ist, kann die Membrandicke sehr dünn sein und trotzdem eine Oberflächenlänge ohne Modenumwandlung und die diese begleitende Verzerrung tragen. Infolgedessen können Membranen für den Oberflächenwellen-Druckmeßumformer sehr dünn gemacht werden, um die Empfindlichkeit in kleine Druckbereiche auszudehen.
Oberflächenwellen, die durch den linken elektroakustischen Wandler 14 in den Fig. 3 und 4 ausgesandt werden, bewegen sich in einem Bündel oder Kanal über die Membran 12 und erreichen den rechten Wandler 16, in welchem eine piezoelektrische Wechselwirkung eine Wechselspannung an einem Klemmenpaar B ergibt. Wenn kein Gasdruck oder andere mechanische Spannungen auf die Membran 12 ausgeübt werden, wird ein kurzer HF-Energieimpuls mit einer Frequenz nahe der Frequenz f&sub0;, der an das Klemmenpaar A angelegt wird, das Klemmenpaar B mit einer Verzögerungszeit von
τ _{p 0} = l _{p 0}/v _{a 0}
erreichen, wobei l _{p 0} und v _{a 0} die Mitte-zu-Mitte-Weglänge zwischen den elektroakustischen Wandlern 14 und 16 bzw. die mittlere Oberflächenschallwellengeschwindigkeit bei einer Membranspannung von Null sind. Es ist zweckmäßig, die Verzögerungszeit τ _{p 0} in zwei Komponenten zu zerlegen
τ _{p 0} = τ _{e 0} + τ _{d 0}
wobei τ _{e 0} und τ _{d 0} die Verzögerungszeiten für Wellen sind, welche über den Teil des starren Substrats 10 bzw. den Teil der flexiblen Membran 12 der Verzögerungsweges hinweggehen. Wenn die Membran 12 aufgrund eines ausgeübten äußeren Druckes p gebogen ist, bleibt die Verzögerungszeit τ _{e 0} konstant, aber die Verzögerung im Bereich der Membran ist annähernd gegeben durch °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei die Koeffizienten α&sub1; und β&sub1; erhalten werden, indem die Verzögerungs- und Geschwindigkeitsänderungen in Potenzreihenentwicklungen mit der Veränderlichen P ausgedrückt werden. Für kleine Membranbiegungen können die Koeffizienten für ein bestimmtes Membranmaterial und eine bestimmte Membrankonfiguration unter Verwendung der bekannten Biegeplattentheorie berechnet werden. Angaben darüber finden sich in dem Buch von Timoshenko und Woinowsky-Krieger, Theory of Plates and Shells, 2. Ausgabe, McGraw Hill, 1959. Im allgemeinen werden die Ausdrücke α&sub2; P ² und β&sub1; P am größten sein, während sie selbst für einen kleinen Druck P viel kleiner als Eins sein werden. Durch eine sorgfältige Auswahl der Membranparameter und -konfiguration ist es möglich, den Zustand zu erreichen, in welchem der Ausdruck β&sub1; P viel größer ist als α&sub2; P ², wodurch sich eine fast lineare Änderung der Verzögerungszeit mit dem Druck P ergibt.
Wenn gemäß den Fig. 3 und 4 die Verzögerungsleitungsklemmenpaare A und B in einem Schwingkreis mit einem Rückkopplungsverstärker 26 verbunden sind und wenn die Verstärkung des Rückkopplungsverstärkers 26 bis zu dem Punkt erhöht wird, an welchem die Verstärkung der den Verstärker 26 enthaltenden Rückkopplungsschleife Eins überschreitet, wird die Schaltung in einer oder mehreren Frequenzmoden schwingen, welche durch f _n festgelegt sind:
f _n τ _{p 0} + Φ _E/2π = n
wobei Φ _E die Phasenverzögerung des Rückkopplungsverstärkers 26 und n eine ganze Zahl ist. Da f _n · τ _{p 0} gewöhnlich viel größer als Φ _E/2π für eine Verzögerungsleitungsrückkopplungsschaltung ist, wird sich die Frequenz der n-ten Mode wie τ _n/τ _{p 0} verändern. Wenn der Ausdruck β&sub1; P vorherrschend ist, wie oben beschrieben, wird sich die Frequenz der n-ten Mode annähernd folgendermaßen verändern:
f _n = (n/τ _{p 0}) (1 + β&sub1; P)
Diese Gleichung gibt an, daß sich die Frequenz der n. Mode linear mit dem ausgeübten äußeren Druck P verändert. In Versuchen mit einem Siliziummembran-Druckmeßumformer, dessen Membran einen Durchmesser von 6,5 mm und eine Dicke von 0,05 mm hatte, ergaben sich die Werte n=332, f&sub0;=166 MHz und τ _{p 0}=2,0 µs. Für den Koeffizienten β&sub1; hatte sich experimentell annähernd -10^-4/bar über einen Druckbereich von 0 bis 1 bar ergeben. Die Ausgangsfrequenz des Druckmeßumformers nahm deshalb um annähernd 16,6 kHz über einer Druckänderung von 1 bar ab. Da die Frequenz bis auf 1 Hz mit Mittenfrequenzen bis zu 500 MHz mitHilfe von elektronischen Standardfrequenzzählschaltungen gezählt werden kann, hat der hier beschriebene Druckmeßumformer potentielle Meßgenauigkeiten in der Größenordnung von 0,01%.
Die Tatsache, daß viele Frequenzmoden in der Schaltung nach den Fig. 3 und 4 erlaubt sein können, könnte zu einem ernsten Problem werden, weil Instabilitäten dazu führen können, daß in der Schaltung Sprünge von Mode zu Mode auftreten, wodurch sich eine falsche Anzeige der Druckänderung ergäbe. Ein einfaches Verfahren, durch das Modeninstabilitäten verhindert werden, macht Gebrauch von einem Wandleraufbau mit vielen Elektroden und ist in Fig. 5 dargestellt. Die beiden elektroakustischen Wandler 14 und 16 sind mit derselben Anzahl von Elektroden versehen, die jedoch eine ganz unterschiedliche räumliche Verteilung haben. Der linke Wandler 14 hat r Paare von Elektroden und deshalb eine Gesamtlänge in der Schallwellenausbreitungsrichtung von r Λ&sub0;. Der rechte Wandler 16 hat p/r Gruppen von Elektroden, wobei sämtliche Gruppen parallel sind, jede Gruppe s Paare von Elektroden hat und der Mitte-zu-Mitte-Abstand dieser Gruppen gleich r Λ&sub0; ist. Schließlich ist der Mitte-zu-Mitte- Abstand der beiden elektroakustischen Wandler 14 und 16 so gewählt, daß er (p+r) Λ&sub0; beträgt. Der Gesamtfrequenzgang, der beim Durchgang durch die beiden elektroakustischen Wandler 14 und 16 erreicht wird, verändert sich annähernd wie (s in X/X)², wobei X=2π · q (f-f&sub0;)/f&sub0; und q=p+r ist. Diese Wandleranordnung liefert Minima in dem Frequenzgang der Rückkopplungsschleife bei den Frequenzen f _m,
f _m = f&sub0; (1+m/q)
wobei m irgendeine von Null verschiedene ganze Zahl ist. Wenn der Mitte-zu-Mitte-Abstand des Wandlers genau gleich q Λ&sub0;=q (v _a/f&sub0;) gemacht wird, so ist f&sub0;/q=1/τ _{p 0} und der Wandlerfrequenzgang dämpft stark alle weiter oben beschriebenen Frequenzmoden f _n, mit Ausnahme der Mittenmode f&sub0;=v _a/Λ&sub0;. Die obige Wandlerkonstruktion wurde zuerst in England zum Stabilisieren von nichtdruckabhängigen Oberflächenschallwellen-Rückkopplungsoszillatoren verwendet (vgl. Crabb, Lewis und Maines, "Surface Acoustic Wave Oscillators: Mode Selection und Frequency Modulation", Electronics Lett., 9, 195-197, 17. Mai 1973). Wandler mit vielen Elektroden und Schmalbandcharakteristik wurden in dem Siliziummembran-Druckmeßumformer verwendet, der weiter oben beschrieben ist. Es wurden dabei keine Modeninstabilitäten beobachtet.
Ein wichtiges Problem in vielen Einrichtungen, die Schallwellenerscheinungen benutzen, ist die Änderung der Schallparameter und die Änderung der Schallverzögerung in Abhängigkeit von der Temperatur. Ein linearer Temperaturkoeffizient in der Größenordnung von 30 ppm/°C wird für die meisten Verzögerungsleitungs- und Membranmaterialien beobachtet. Da die beobachteten Empfindlichkeiten in der Größenordnung von 100 ppm/bar liegen, ist zu erwarten, daß eine Temperaturdrift ein ernstes Problem darstellt. Die Fig. 6A und 6B zeigen eine besondere Konfiguration mit zwei Kanälen, die Temperatureffekte wesentlich verringern kann und ein druckabhängiges Frequenzausgangssignal ergibt, welches niedrig genug ist, damit es mit einfachen Zählern gezählt werden kann. Die beiden Kanäle werden eng nebeneinander auf demselben Substrat 10 hergestellt, so daß ihre Temperturdifferenz sehr klein ist. Der Hauptkanal besteht aus dem ersten und dem zweiten elektroakustischen Wandler 14 bzw. 16, die auf einem piezoelektrischen Dünnfilmstreifen 18 hergestellt und durch eine Membran 12 getrennt sind, wie weiter oben beschrieben. Der Referenzkanal besteht aus dem dritten und dem vierten elektroakustischen Wandler 14&min; bzw. 16&min;, die auf demselben piezoelektrischen Dünnfilmstreifen 18 hergestellt und durch eine Membran 12&min; getrennt sind. Im Idealfall sind die Membranen 12 und 12&min; gleich, damit gleichwertige Wärmestrahlungseigenschaften sichergestellt sind. Es sind jedoch Vorkehrungen getroffen, daß unterschiedliche äußere Drücke auf die beiden Kanäle ausgeübt werden. Wenn auf beide Kanäle kein Druck ausgeübt wird, ist die Oberflächenwellenverzögerung für beide Kanäle die gleiche, und wenn gleiche Vestärker und Rückkopplungsverbindungen verwendet werden, sind die Schwingungsfrequenzen f _p und f _R für den Druck Null für den Haupt- bzw. Referenzkanal gleich. In der Praxis wird eine zwar kleine, aber konstante Differenzfrequenz aufgrund von Schaltungsunstimmigkeiten beobachtet. Diese Differenz wird hier vernachlässigt. Nimmt man an, daß die Rückkopplungsschaltungen für den Haupt- und Referenzkanl, welche die Rückkopplungsverstärker 26 und 26&min; enthalten, mit einem Mischer 30 verbunden sind, wie in Fig. 6B gezeigt, und daß das Differenzfrequenzausgangssignal f _D=f _P-f _R gewählt ist, da die beiden Kanäle beinahe gleich sind, so kann angenommen werden, daß ihre Frequenzen bei dem Druck Null beinahe gleich sind (f _{P 0}≈f _{R 0}) und daß ihre linearen Druckempfindlichkeiten beinahe gleich sind (β&sub1; P≈β&sub1; R). Die abgegebene Differenzfrequenz ist dann
f _D≈f _{R 0} · β&sub1; · R · (P _P-P _R)
was zeigt, daß die großen temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeitsänderungen durch die Verwendung der Zweikanalkonfiguration und des Differenzfrequenzausgangssignals aufgehoben werden können. Die beiden Kanäle ergeben einen Differenzdruckmeßumformer; das Ausgangssignal ist proportional zu (P _P-P _R). Wenn der Referenzkanaldruck konstant gehalten wird, dann wird das Ausgangssignal zu einem Maß des absoluten Druckes P _P. Das Differenzfrequenzausgangssignal des Mischers 30 wird dann durch einen Frequenz/Digital-Wandler 32 (Fig. 6B) in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt.
Oben ist stillschweigend angenommen worden, daß die Schallausbreitungsoberfläche des Meßumformers in einer Vakuumumgebung gehalten wird, so daß der gesamte Membrandruck auf die Unterseite der Membran ausgeübt werden kann. Diese Annahme ist wichtig, weil die Oberflächenwelle gestört und gedämpft werden kann, wenn sich die Umgebung, in der sich die Oberflächenwelle ausbreitet, aufgrund von Feuchtigkeit oder anderen Effekten ändert. Wegen der Umgebungseinwirkungen muß Sorgfalt auf die Verkapselung des Meßumformers verwendet werden, wenn ein zuverlässiger Betrieb erreicht werden soll.
Die Fig. 7A und 7B zeigen eine Möglichkeit, wie der Meßumformer zweckmäßig montiert werden kann, um Umgebungseinflüsse auszuschalten. Das die beiden Kanäle tragende Substrat 10, auf welchem die elektroakustischen Wandler 14, 14&min;, 16 und 16&min; angebracht sind, ist an dem Boden eines Mikroelektronik-Flachgehäuses 34 befestigt, so daß die Oberflächenwellen-Ausbreitungsoberfläche nach oben weist und die Membranen 12 und 12&min; in getrennte Gasdruckkanäle 36 und 38 weisen. Das Flachgehäuse 34 ist groß genug, um die Rückkopplungsverstärker 40 und den Ausgangssignalmischer 42 aufzunehmen, die mit den Wandlern verbunden sind. Nach dem Montieren dieser Bauteile und dem Herstellen der Mikroelektronik-Anschlußverbindungen 44 kann der Flachgehäusedeckel im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre aufgeschweißt werden. Der Flachgehäusedeckel hat einen Befestigungszapfen 46, damit der Meßumformer für die verschiedenen Anwendungsfälle zweckmäßig montiert werden kann.
Da in der Verzögerungsleitung des Druckmeßumformers nur stabile, passive Materialien verwendet werden, kann dieser bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden, beispielsweise bei Temperaturen von 1000°C. Solche Temperaturen wären für einen zuverlässigen Betrieb der elektronischen Rückkopplungsverstärkeer 40 zu hoch, die gewöhnlich auf einen Betrieb bei 100°C oder niedriger begrenzt sind. Fig. 8 zeigt eine Konfiguration, die erlaubt, daß der Zweikanal-Druckmeßumformer in einer Hochtemperaturumgebung arbeitet, während die Rückkopplungsschaltung etwas davon entfernt unter relativ niedrigen Temperaturbedingungen arbeiten kann. Das Substrat 10, auf welchem die Verzögerungsleitung mit den elektroakustischen Wandlern hergestellt ist und welches die Membran 12 aufnimmt, ist in einem Block 50 angebracht, der auf seiner Außenseite mit Gewinde versehen ist, so daß er in einer Befestigungswand 52 montiert und durch eine Gegenmutter 54 gesichert werden kann. Ein erster Durchlaß 56 verbindet die Membran 12 mit dem zu messenden Druck P. Die elektronischen Verbindungen mit den Wandlern sind durch einen zweiten Durchlaß 58 hindurch zu der gegenüberliegenden Seite der Wand 52 geführt, wo Verbindungen mit einem Rückkopplungsverstärker 60 und den anderen elektronischen Bauteilen hergestellt sind. Für die elektrischen Verbindungen können bei Bedarf Dichtungen vorgesehen sein. Eine Deckplatte 62, die auf dem Block 50 befestigt ist, schützt die Verzögerungsleitung vor der Umgebung. Der dem Substrat 10 benachbarte Raum ist evakuiert oder mit Inertgas gefüllt. Auf diese Weise kann die Membran 12 über den ersten Durchlaß 56 zu einer Hochtemperaturumgebung hin offen sein, wie beispielsweise einem Turbinentriebwerk, in welchem ein Druck gemessen werden soll, während der Rückkopplungsverstärker 60 und andere wärmeempfindliche Bauteile sich auf einer viel niedrigeren Temperatur befinden können. Zum Verbinden der Verzögerungsleitung mit dem Rückkopplungsverstärker 60 könnte ein warmfestes Koaxialkabel verwendet werden; es könnten sogar mehrere Meter Kabel verwendet werden, da die Verzögerungszeit für das Kabel nur Nanosekunden beträgt, wogegen die Verzögerung der Verzögerungsleitung eine Mikrosekunde oder mehr beträgt.
Die Grundkonfiguration für den Oberflächenschallwellen-Druckmeßumformer kann außer zur Druckmessung auch zum Bestimmen von anderen Meßgrößen verwendet werden. Die Schallausbreitung ist gewöhnlich gegenüber Temperaturänderungen sehr empfindlich. In der Zweikanalkonfiguration ändert sich die Rückkopplungsschaltungsfrequenz in jedem Kanal annähernd linear, wenn der Druck konstant gehalten wird. In einem ganz anderen Anwendungsfall kann die in Fig. 9 dargestellte, leicht abgewandelte Konfiguration zur Beschleunigungsmessung verwendet werden.
An der Membran von Fig. 1 und 2 ist nun ein Gewicht der Masse M im Mittelpunkt der Membran 12 befestigt, so daß eine Kraft F=M · a, wobei a die Beschleunigung ist, auf die Membran ausgeübt wird. die Membran 12 und das Substrat 10 sind zwar nun in ein Vakuum oder eine Inertgasatmosphäre eineschlossen, um einen Membrandruck aufgrund von äußerer Gasbelastung zu beseitigen, die grundlegende Verzögerungsleitung und Rückkopplungsschwingkreisschaltung sind jedoch unverändert. Da die Schwingkreisfrequenz in annähernd linearer Beziehung zu der auf die Membran 12 ausgeübten Gesamtkraft steht, wird sich das Frequenzausgangssignal nun im Verhältnis zu der ausgeübten Beschleunigung verändern. Eine Zweikanalkonfiguration mit unterschiedlichen Massen M&sub1; und M&sub2; in den beiden Kanälen könnte verwendet werden, um Temperaturänderungen aufzuheben.
Die Grundkonfiguration kann auch verwendet werden, um Messungen einer mechanischen Spannung oder Dehnung in situ auszuführen. In diesem Fall wird die Wandleranordnung von Fig. 1 und 2 entweder direkt auf der zu messenden Oberfläche hergestellt, wie in Fig. 10 gezeigt, oder die dünne Membran mit zugeordneten Wandlern wird gleichmäßig mit der Meßfläche verklebt. In Fig. 10 sind die elektroakustischen Wandler 14 und 16 direkt auf der Oberfläche eines Teils 70 angebracht, das aufgrund eines Biegemoments M _B unter mechanischer Spannung steht.
Die Phasenverzögerung zwischen den Wandlern 14, 16 ist eine Funktion der mechanischen Oberflächenspannung, wie es weiter oben beim Betrieb des Druckmeßumformers beschrieben wurde. Wie zuvor wird die Wandleranordnung mit einer Rückkopplungsverstärkerschaltung verbunden, damit ein von der mechanischen Spannung abhängiger Frequenzwert erhalten wird. Außerdem ist für Anwendungen auf den meisten Konstruktionsmaterialoberflächen die Beziehung zwischen mechanischer Spannung und Dehnung bekannt. Somit kann die Grundkonfiguration einen genauen Meßwert der Oberflächendehnung liefern. Der Hauptvorteil des in Fig. 10 dargestellten Spannungs-Dehnungs- Fühlers gegenüber anderen Lösungen ist: 1) direktes Herstellen auf oder Verkleben mit der Meßfläche, um eine stabile Meßkonfiguration zu schaffen; 2) Möglichkeit eines Betriebs bei sehr hoher Temperatur, wie beispielsweise in dem kritischen Nachbrennerbereich eines Strahltriebwerks; und 3) Kompatibilität mit digitalen Systemen.
Hält man die Membran oder die Wellenausbreitungsoberfläche gegenüber Änderungen des ausgeübten Druckes oder der mechanischen Spannung isoliert, so kann der hier beschriebene Meßumformer zum Abfühlen der Temperatur verwendet werden. Die Rückkopplungsschaltungsfrequenz wird sich dann ungefähr linear als eine Funktion der Temperatur verändern, und zwar aufgrund der mit Temperaturänderungen auftretenden Expansion in der Membran oder der Wellenausbreitungsoberfläche.
Der Meßumformer kann außerdem als Mengenflußmeßgerät zum Messen der Strömung entweder von Gasen oder von Flüssigkeit verwendet werden. Das wird erreicht, indem die Strömung derart auf die Membran geleitet wird, daß sich die Strömung nach dem Hinweggehen über die Membran oder an der Berührungsstelle mit der Membran umkehrt. Die Momentänderung führt zu einer auf die Membran ausgeübten Kraft, die zu dem Moment proportional ist, welches seinerseits gleich der Masse pro Läneneinheit der Strömung multipliziert mit der Geschwindigkeit der Strömung ist. Somit wird die Geschwindigkeit gemessen, wenn die Massendichte der Strömung bekannt ist.

Claims

1. Meßumformer zum Bestimmen einer ein Substrat verformenden Meßgröße, mit mindestens zwei auf dem Substrat angeordneten elektroakustischen Wandlern, welche als Sende- bzw. Empfangseinrichtung für sich zwischen ihnen im Substrat ausbreitende Oberflächenschallwellen dienen, deren Ausbreitung einer Zeitverzögerung infolge der Verformung des Substrats unterliegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem ersten und einem zweiten elektroakustischen Wandler (14, 16) das Substrat (10) als flexible Membran (12) ausgebildet ist und daß ein Rückkopplungsverstärker (26) mit den elektroakustischen Wandlern (14, 16) einen Schwingkreis bildet, dessen Schwingungsfrequenz durch die Verformung der Membran (12) eine Veränderung erfährt, die als Maß für die die Verformung verursachende Meßgröße (P, F) dient.

2. Meßumformer nch Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an der Membran (12) befestigte und gemeinsam mit dieser bewegbare Masse (M).

3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen dritten und einen vierten elektroakustischen Wandler (14&min;, 16&min;), die auf dem Substrat (10) einander gegenüberliegend angeordnet und durch einen weiteren Rückkopplungsverstärker (26&min;) verbunden sind, und durch einen Mischer (30), der mit den durch die elektroakustischen Wandler (14, 16, 14&min;, 16&min;) und die Rückkopplungsverstärker (26, 26&min;) gebildeten Schwingkreisen verbunden ist und den Ausgang des Meßumformers bildet.

4. Meßumformer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine zweite flexible Membran (12&min;), die in dem Substrat (10) zwischen dem dritten und vierten elektroakustischen Wandler (14&min;, 16&min;) gebildet und mit einem Druck beaufschlagbar ist, der von dem Druck verschieden ist, mit dem die erste Membran (12) zwischen dem ersten und zweiten elektroakustischen Wandler (14, 16) beaufschlagbar ist.

5. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustischen Wandler (14, 16, 14&min;, 16&min;) jeweils mehrere auf dem Substrat (10) hergestellte Elektroden (20) aufweisen.

6. Meßumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) ein dielektrisches Material ist und daß ein Dünnfilmstreifen (18) aus einem piezoelektrischen Material auf dem Substrat (10) zwischen diesem und den Elektroden (20) angeordnet ist.

7. Meßumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material ZnO ist.

8. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (12) eine dünne Schicht aus flexiblem Material ist, die auf der Oberseite des Substrats (10) befestigt ist.

9. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (12) aus demselben Material wie das Substrat hergestellt ist.

10. Meßumformer nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch einen mit dem Ausgang des Mischers (30) verbundenen Frequenz/Digital-Wandler (32).

11. Meßumformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Block (50) zur Befestigung des Substrats (10), durch einen ersten Durchlaß (56) in dem Block (50), über den die Membran (12) von einem Bereich hoher Temperatur her mit Druck beaufschlagbar ist, und durch einen zweiten Durchlaß (58) in dem Block (50), der am einen Ende in der Nähe des Substrats (10) und am anderen Ende zu einem weiteren Bereich hin offen ist, der wesentlich kühler als der Bereich hoher Temperatur ist, wobei der Rückkopplungsverstärker (60) in dem wesentlich kühleren Bereich angeordnet und mit den ersten und zweiten elektroakustischen Wandlern (14, 16) auf dem Substrat (10) über den zweiten Durchlaß (58) elektrisch verbunden ist.

12. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) mit der Oberfläche eines Teils (70) verklebt ist, dessen mechanische Oberflächenspannung gemessen werden soll.

13. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten elektroakustischen Wandler (14, 16) direkt auf der Oberfläche eines Teils (70) hergestellt sind, dessen mechanische Oberflächenspannung gemessen werden soll.