DE2746712B2 - Piezoelektrischer Resonator - Google Patents

Piezoelektrischer Resonator

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DE2746712B2 DE2746712A DE2746712A DE2746712B2 DE 2746712 B2 DE2746712 B2 DE 2746712B2 DE 2746712 A DE2746712 A DE 2746712A DE 2746712 A DE2746712 A DE 2746712A DE 2746712 B2 DE2746712 B2 DE 2746712B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Resonator für Meßwertaufnehmer, wie z. B. Druck-, Beschleunigungs-, Temperaturgeber und Lastmeßzellen, bestehend aus einem Resonator-Kern, der an zwei gegenüberliegenden Seiten Haltestücke aufweist, die aus Festkörperschichten gebildet sind. Das Kernstück besteht in der Regel aus einer Einkristallscheibe oder aus mehreren Einkristallscheiben, kann jedoch auch aus Piezokeramik mit hinreichend niedrigen Verlusten aufgebaut sein.
Piezo-Resonatoren, insbesondere Schwingquarze, wurden bisher scti>n für Meßwertaufnehmer für verschiedene physikalische Meßgrößen, wie z. B. Temperatur und Druck, verwendet, siehe »The crystal resonator — a digital transducer«, D. L Hammond, A. Benjaminson, IEEE spectrum April 1969, S. 53 — 58. Die Vorteile, die sich auf den genannten Einsatzgebieten durch die Verwendung piezoelektrisch angetriebener mechanischer Resonatoren ergeben, sind nicht zuletzt eine Folge der hohen erzielbaren Werte für die Resonatorgüte, die die mit elektrischen Schwingkreisen erreichbaren Gütewerte um mehrere Größenordnungen übertreffen. Diese hohe Resonatorgüte wird bei den bekannten Piezo-Resonatoren für Meßwertaufnehmer durch Totalreflexion der piezoelektrisch angeregten Schallwelle an dem den Resonator umgebenden Hochvakuum bzw. verdünnten Gas erreicht. Da jedoch mittels des genannten, als ideal »schallweich« zu bezeichnenden, akustischen Abschlußmediums Hochvakuum bzw. Gas, keine mechanische Halterung des Resonators möglich ist, wurde die Halterung getrennt an Stellen verschwindender Schwingungsamplitude bzw. möglichst punktförmig ausgeführt. Diese Form der Halterung erlaubt jedoch keine gegenüber Erschütterungen robuste Ausführung des Meßwertaufnehmers bzw. erlaubt sie z. B. beim Druckaufnehmer — abgesehen von exhorbitant hohen Herstellungsschwierigkeiten bzw. Herstellungspreis — keine homogene Druckspannungsverteilung im Schwingquarz.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist vorgesehen, daß der Resonator-Kern an zwei gegenüberliegenden Seiten Haltestückc aufweist, die durch Festkörperschichten gebildet sind, deren Abmessungen gemäß der Erfindung in Ausbreitungsrichtung der piezoelektrisch angeregten Schallwelle ein n-faches von 1A, wo η cine ganze ungerade Zahl isl, der der Resonanzfrequenz des Resonators entsprechenden Schallwellcnlänge L in der betreffenden Schicht betragen, und die abwechselnd aus Materialien mit stark unterschiedlicher spezifischer akustischer Impedanz bestehen. Bei dieser Halterungseinrichtung, die als »Sandwich-Halter« bezeichnet werden kann, erfolgt die Halterung des Resonator-Kerns großflächig durch die Festkörperschichten. Diese
Schichten wirken als Transformationsschichten, dio es erlauben, die akustische Impedanz des außerhalb des Halters befindlichen Mediums auf einen beliebigen Wert zu transformieren. Der Wert von π kann vorzugsweise »!«betragen.
Durch die Aufeinanderfolge von Schichten aus Materialien mit stark unterschiedlicher spezifischer akustischer Impedanz wird nach den Gesetzen der Akustik eine extrem hohe bzw. eine extrem niedrige akustische Abschlußimpedanz erzielt, welche eine fast verlustfreie Reflexion der im Resonator erzeugten Schallwelle, also eine Quasi-Totalreflexion bewirkt. Die erfindungsgemäß aufgebauten Haitestücke fungieren als »akustische Spiegel«, welche nahezu die gesamte im Resonator gespeicherte Blindenergie auf den Resonator-Kern konzentrieren. Dadurch wird ein Resonator hoher Güte mit einer großflächigen, mechanisch robusten Halterung erreicht. Der Resonator-Kern kann dabei, wie bisher üblich, aus einem Einkristallstück aus z. B. Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat bestehen, kann aber auch aus mehreren solchen Stücken aufgebaut sein. Es ist auch denkbar, statt phzoelektrischer Einkristalle piezokeramische Werkstoffe mit hinreichend niedrigen akustischen Verlusten zu verwenden.
Es kann sich dabei als vorteilhaft erweisen, wenn mindestens einzelne der genannten Schichten aus mehreren Lagen aus Materialien gleicher akustischer Impedanz oder aus dem gleichen Material aufgebaut sind. Eine Lage ist dabei jeweils aus einem einzigen, in Jn sich homogenen Material aufgebaut.
Auch können zusätzliche Schichten, deren Abmessungen in Ausbreitungsrichtung der piezoelektrisch angeregten Schallwelle '/2 oder ein ganzzahliges Vielfaches von '/2 der der Resonanzfrequenz des Resonators r> entsprechenden Schallwellenlänge in der betreffenden Schicht betragen, zwischengeschaltet sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die äußerste Schicht der Haltestücke, also die vom Resonator-K irn am weitesten entfernte Schicht, aus 4» Material mit gegenüber der nachfolgenden Schicht höherer akustischer Impedanz bestehen wodurch vorteilhaft eine geringe Schichtenanzahl bei hoher Güte des Resonators ermöglicht wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können -n die ungeraJzahligen und die geradzahligen Festkörperschichten del' Haltestücke je aus demselben Material bestehen, was eine Vereinfachung der Herstellung der Halterung ergibt.
Für die Verwendung ties Resonators als Druckauf- in nehmer wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß zur Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz eine Kompensationsschicht vorgesehen ist, die mindestens an einer der Schichten längs einer /ur Ausbreitungsrichtung der piezoelektrisch angeregten >"> Schallwelle senkrecht stehenden Fläche anschließt und deren Abmessung in Ausbreitungsrichtung der piezoelektrisch angeregten Schallwelle eine halbe oder ein ganzzahliges Vielfaches von einer halben Wellenlänge in dieser Schicht beträgt und deren Temperaturausdeh- mi nungskoeffizient so gewählt ist, daß die Resonanzfrequenz praktisch temperaturunabhängig ist.
Umgekehrt können für die Verwendung des Resonators als Temperaturaufnehmer in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Temperaturkoeffizienten der ir> Materialien der aas Resonator und Gehäuse bestehenden Gesamtanordnung so gewählt sein, daß bei femperaturänderungen Druckändcrungcn am Resonator-Kern entstehen, welche die Temperaturempfindlichkeit der Resonanzfrequenz des Resonator-Kerns ergeben bzw. erhöhen. Dabei werden zweckmäßig die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien und die Konstruktion so gewählt, daß eine starke Druckänderung auf den Resonator als Folge einer Temperaturänderung zustande kommt.
Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Sandwich-Resonators in der Meßwertaufnehmer-Anwendung ist die vollkommen homogene Druckbeanspruchung des Resonaior-Kerns; beim Temperaturaufnehmer kommen als Vorteile noch hinzu die großflächige Wärmeübertragung auf das Sensorelement und die hohe erzielbare Temperaturempfindlichkeit, beim Druckaufnehmer im Vergleich mit den bisher verwendeten Resonatorkonstruktionen noch die Vorteile eines wesentlich einfacheren Aufbaus, einer wesentlichen Verringerung der Abmessung und eines noch höheren Druckbere'Chs.
Die iy4-Schichten können bei graueren Abmessungen aus Blechen bzw. Folien öder auch hus siabförmigem Rohmaterial hergestellt werden. Bei hohen Miniaturisierungsanforderungen können die
ZV4-Schichten bzw. die Lagen in Weiterbildung der Erfindung durch Aufdampfen oder galvanisch auf den Resonator-Einkristall aufgebracht werden. In diesem Fall kann bei der Anwendung des Sandwich-Resonators zur Frequenzstabilisierung, z. B. in elektronischen Armbanduhren, das teure Resonatorgthäuse entfallen, da der Sandwich-Resonator nicht im Vakuum betrieben werden muß. Es ist auch denkbar, die Haitestücke oder auch die einzelnen LJA-Schichten oder auch die Lagen getrennt vom Resonator-Kern durch Aufdampfen oder galvanisch herzustellen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zur Verringerung der akustischen Verluste in den Grenzschichten die Haftung der Schichten bzw. Lagen untereinander und/oder am Resonator-Kern durch Aufdampfen oder Aufgalvanisieren einer im Verhältnis zu den Abmessungen der Schichten sehr dünnen Haf'-.chicht erhöht werden. Als Material für diese Haftschichten kommt z. B. Gold in Frage. Eine gute Haftung der Schichten bzw. Lagen untereinander und/oder am Resonator-Kern kann als letzte Ausgestaltung der Erfindung auch durch Epitaxie erreicht werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. I ein Ausführungsbeispiel eines Druckaufnehmers im Axialschnitt und
Fig. 2 und 3 ein um 90° gedrehtes Detail daraus in zwei Ausführungsvarianten.
Der Druckaufnehmer beinhaltet einen piezoelektrischen Sandwich- Resonator 12. Der Sandwich-Resonator ist zwischen dem ein ganzzahliges Vielfaches von LJl dicken Membrarteil 11 aus rostfreiem Siahl auf der in der F i g. I unteren Seite und dem an dieser Stelle ein ganzzahliges Vielfaches von L/2 dicken Gehäusekörper 14 aus rostfreiem Stahl auf der in der Fig. I oberen Seite gehaltert, woLdi an der oberen Seite noch ein L/2 dickes Isolierstück 13 aus Quarzglas zur elektrischen Isolation des Haltestückes 20' Zwischengeschäft ist. Dadurch, daß die Druckübertragung auf den Sandwich-Resonator über L/2 bzw. ein Vielfaches von L/l dicke Gehäuseflächen erfolgt, schließt die akustische Impedanz des umgebender; Mediums direkt an die beiden ersten ^-Schichten des Sandwich-Resonators an, wie es in der weiter unten angeführten schematischen Behandlung angenommen wurde.
Das Isolierröhrehen 9 dient der Isolierung der Elcktrodenzuführung 10 vom Gehäuse 15. Diese isolierte Zuführung, die zum gleichzeitig als Elektrode dienenden Haltestück 20' führt, ist an den Innenleiter des Teflon-Koaxialkabels 16 angeschlossen; die Ab- ί schirmung des Koaxialkabels ist mit Hilfe des Weichlots 8 über die Zugentlastungsscheibe ?, den Gehäusekörper 14 und den Membranteil Il mit dem ebenfalls gleichzeitig als Elektrode dienenden Haltestück 20 verbunden. Die Zugentlastungsscheibe 7 aus Messing in wird durch die Messing-Distanzhülse 6 und das Abschlußstück 5 aus rostfreiem Stahl an den Gehäusekörper 14 gepreßt. Das Gehäuse 15 besteht aus dem Gehätisekörpcr 14, dem Isolierstüek 13, dem Membranteil M sowie aus dem Abschlußstücks. π
Zur Verdeutlichung ist der eigentliche Sandwich-Resonator 12 in Fig. 2 bzw. Fig. 3 in schemalischer Form vergrößert dargestellt. F i g. 2 zeigt den Fall, bei dem die 7:ihl Λ/ c\rr in jpHprn H^l'.cs'.ück i9, 19' verwendeten L/4-Schichten 1—3 ungerade ist. Fig. 3 zeigt den Fall. :u bei dem die Zahl /V der in jedem Haltestück 20, 20' verwendeten L/4-Schichten 1—4 gerade ist (im Allsführungsbeispiel nach Fig. 1 ist Λ/=4). Die Zahl ni gibt an, auf der wievielten Harmonischen der Resonator-Kern betrieben wird (im Ausführungsbeispiel ist r> /?)= 5), 23 bezeichnet den Resonator-Kern (im Ausführungsbeispiel eine Quarzeinkristallscheibe) der Dicke niL/2. A eine L/4-Schicht mit möglichst hoher akustischer Impedanz (im Ausführungsbeispiel Wolfram W). B eine L/4-Schicht mit möglichst niedriger x> akustischer Impedanz (im Ausführungsbeispiel eine Magnesium-Legierung mit 7,5% Al und 1,1% Zn). Weiters wurde der Druck, mit dem der Sandwich-Resonator zusammengepreßt wird, mit P bezeichnet. Zur Verdeutlichung der Funktionsweise ist oberhalb des π Resonator-Kerns noch der jeweilige Amplitudenverlauf der Schwingung für m = 1 eingezeichnet; die mechanische Amplitude des Resonators wurde dabei mit a. der Abstand von der vertikalen Symmetrieachse mit ν bezeichnet. In F i g. 2 ist auch eine an die Außenfläche 21 w des Haltestücks 19 anschließende L/2 dicke Kompensationsschicht 18. eine zwischen Schicht 1 und Schicht 2 eingefügte L/2 dicke Zwischenschicht 18'. sowie eine aus 2 Lagen 3' aufgebaute Schicht 3 abgebildet.
In Fig. 3 ist noch die Anordnung der sehr dünnen -r> Haftschichten 22 eingezeichnet.
Im folgenden wird die Vorgangsweise bei der Dimensionierung des Sandwich-Resonators beschrieben. Die transformierende Wirkung der ersten L/4-Schicht läßt sich durch die Beziehung ^n
Ζ, = Z^2/Zo
darstellen, wobei Z0 die spezifische akustische Impedanz des den Halter umgebenden Mediums, Za die spezifische akustische Impedanz der ersten L/4-Schicht und Z\ die durch diese Transformations-Schicht erzeugte Impedanz bezeichnet. Die folgenden beiden Gleichungen geben die bei der Hintereinanderschaltung von N L/4-Schichten erzeugte Impedanz an:
Resonator-Kern kann als longitudinaler Dickenschwinger (Anregung einer longitudinalen. stehenden Schallwelle normal auf die Fläche größter Ausdehnung), als Dickenscherschwinger (Anregung einer transversalen Schallwelle in Richtung normal auf die Fläche größter Ausdehnung), aber auch als sog. Flächenscherschwinger. Biegeschwinger. Torsionsschwinger und stabförmiger Longitudinal-Schwinger (Anregung einer Longitudinalwelle in Längsrichtung) betrieben werden. Je nach der angeregten Schwingungsform müssen die L/4-Schichtcn für die jeweils zutreffende Phasengeschwindigkeit dimensioniert werden, ebenso sind in den Beziehungen für die Errechnung der spezifischen Impedanz
Dn ■ uH
für ii.\ bzw. ug die Phasengeschwindigkeiten der Longitudinal-, Transversal-, Biege-, Torsions- oder
{D.\ bzw. Dasind die betreffenden Materialdichten.)
Im Druckgeber-Ausführungsbcispiel wird ein Quarzkristall als longitudinaler Dickenschwinger betrieben, die beiden Haltcstücke 19, 19' bzw. 20, 20' sind aus metallischen Schichten aufgebaut und können daher gleichzeitig als Elektroden verwendet werden. Bei Druckgebern, bei denen es auf kleinen Durchmesser ankomme, kann es zweckmäßiger sein, den Resonator als Biege , Torsions- oder stubförmigen Longitudinal-Schwinger auszubilden. In diesem Fall wird die L/4-Abmessung im allgemeinen in die Längsrichtung der Schichten fallen und die Elektroden getrennt auf den Resonator-Einkristall anzubringen sein.
Die mit der jeweiligen Zahl von L/4-Schichtcn erzielbare Resonatorgüle läßt sich aus den bisherigen Gleichungen und dem Transmissionsgrad
Γ= \-{tv-Z
55 des Sandwich-Abschlusses berechnen. Zqbedeutet dabei die spezifische akustische Impedanz des Resonator-Einkristalls in der Ausbreitungsrichtung der angeregten akustischen Welle. In der folgenden Tabelle sind die theoretischen, d. h. unter Vernachlässigung der inneren akustischen Verluste. Werte für die Zs und die sich theoretisch ergebenden Gütewerte φν für das Druckgeber-Ausführungsbeispiel
(zA = zn = 100.75 ■ 105g/cm2s.
zb = AtgAizn = 10.04 · tO5 g/cm-'s)
angegeben.
zN (g/cm2s)
60
N ungerade
1,02 · 104 193
9,93 · 102 331
1,02-10" 19500
9,86 ■ 10° 33300
1,03 ■ 10" 1960000
9,79 KT2 3350000
1,04 · 1015 197000000
z,v = —]Γ · Z0. N gerade
Der gegenständliche Sandwich-Resonator eignet sich für alle bekannten Schwingungsmoden, d. h. der Daraus folgt bereits für N= 5 ein Gütewert in der für herkömmlich gehalterte Präzisions-Vakuumquarze üblichen Größenordnung. Dabei wurde die spezifische Impedanz zb mit 1 - \(fi g/cm2 s angenommen, in der Praxis liegt dieser Wert noch günstiger. Da das den
7 8
I lallcr umgebende Medium in der Regel gasförmig oder /usätzlichcn Verluste fallen bei einem auf einer höheren
flüssig ist. verschwindet 7n für transversale Schallwellen Harmonischen betriebenen Resonator-Einkristall weni-
überhaupt. ger ins Gewicht, da ein solcher in Richtung der
In der Praxis ergeben sich als Folge der inneren piezoelektrisch angeregten Schallwelle eine relativ zu
akustischen Verluste in den /-/4-Schichten und wegen > den llaltcstücken größere Abmessung aufweist. Aus
der Verluste in den Grenzschichten etwas niedrigere als diesem Grunde wurde beim Ausführungsbeispiel in= 5
die in der Tabelle angeführten Gütewertc. Diese gewählt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Piezoelektrischer Resonator für Meßwertaufnehmer bestehend aus einem Resonator-Kern, der an zwei gegenüberliegenden Seiten Haltestücke aufweist, die aus Festkörperschichten gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen dieser Schichten (1 -4) in Ausbreitungsrichtung (x)der piezoelektrisch angeregten Schallwelle ι ο ein /7-faches von 1A, wo η eine ganze ungerade Zahl ist, der der Resonanzfrequenz des Resonators (12) entsprechenden Schallwellenlänge in der betreffenden Schicht betragen, und die abwechselnd aus Materialien mit stark unterschiedlicher spezifischer akustischer Impedanz bestehen.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einzelne (3) der genannten Schichten (1 —4) aus mehreren Lagen (3') aus Materialien gleicher akustischer Impedanz oder aus dem gleicher? Material aufgebaut sind.
3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Schichten (18'), deren Abmessungen in Ausbreitungsrichtung der piezoelektrisch angeregten Schallwelle '/2 oder ein ganzzahliges Vielfaches von '/2 der der Resonanzfrequenz des Resonators entsprechenden Schallwellenlänge in der betreffenden Schicht betragen, zwischengeschaltet sind.
4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Schicht (1) der Haltestücke (19,19' bzw. 20,20') aus Material mit gegenüber der nachfolgenden Schicht (2) höherer spezifischer akuclischer Impedanz besteht.
5. Resonator nach einem der \nspruche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ungeradzahligen (1,3) und die geradzahligen (2,4) Festkörperschichten der Haltestücke (19, 19' bzw. 20, 20') je aus demselben Material bestehen.
6. Resonator nach einem der Ansprüche I bis 5 für Druckaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz eine Kompensationsschicht (18) vorgesehen ist, die mindestens an einer der Schichten (1—4) längs einer zur Ausbreitungsrichtung (x) der piezoelektrisch 4> angeregten Schallwelle senkrecht stehenden Fläche (21) anschließt und deren Abmessung in Ausbreitungsrichtung der piezoelektrisch angeregten Schallwelle eine halbe oder ein ganzzahliges Vielfaches von einer halben Wellenlänge in dieser in Schicht beträgt und deren Temperaturausdehnungskoeffizient so gewählt ist, daß die Resonanzfrequenz praktisch temperaturunabhängig ist.
7. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für Temperaturaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, v> daß die Temperaturausdehnungskoeffizienten der Materialien der aus Resonator (12) und Gehäuse (15) bestehenden Gesamtanordnung so gewählt sind, daß bei Temperaturänderungen Druckänderungen am Resonator-Kern entstehen, welche die Temperatur- wi empfindlichkeit der Resonanzfrequenz des Resonator-Kerns (23) ergeben bzw. erhöhen.
8. Resonator nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Schichten (1—4) bzw. Lagen (3') der Haltestücke (19, 19' bzw. 20, 20') 6-, durch Aufdampfen oder galvanisch hergestellt sind.
9. Resonator nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftung von Schichten (1—4) bzw. Lagen (3') untereinander und/oder am Resonator-Kern (23) durch Aufdampfen oder Aufgalvanisieren einer im Verhältnis zu den Abmessungen der Schichten (1—4) sehr dünnen Haftschicht (22) erhöht ist.
10. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine gute Haftung der Schichten (1—4) bzw. Lagen (3') untereinander und/oder am Resonator-Kern (23) durch üpitaxie erreicht ist
11. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß /J= 1 ist.
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