DE3838014A1 - Piezoelektrisches messelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Meßelement, insbesondere für Meßwertaufnehmer, mit zumindest zwei Kristallelementen, aus Kristallen der Punktsymmetrieklasse 32, bei welchen entgegengesetzte Enantiomorphie-Typen l und r existieren, wobei die Kristallelemente gemeinsam von der zu messenden mechanischen Größe, wie z. B. Kraft, Druck oder Beschleunigung, beaufschlagbar sind und an gegenüberliegenden, im wesentlichen senkrecht zu ihren elektrischen (x) Achsen angeordneten Oberflächen leitend anliegende Elektroden aufweisen.

Aus Kristallelementen zusammengesetzte piezoelektrische Meßelemente sind sowohl unter Ausnutzung des longitudinalen als auch des transversalen Piezoeffektes bekannt. Diese Meßelemente bestehen aus mehreren zu einem Schichtkörper übereinandergeschichteten Kristallelementen, zwischen denen Elektroden zur Ableitung der elektrischen Ladungen vorgesehen sind, wobei die Elektroden gleicher Ladung leitend miteinander verbunden sind.

So ist beispielsweise aus der AT-PS 2 71 947 ein Meßelement der eingangs genannten Art bekannt, bei welchem die scheibenförmig ausgebildeten Einkristallelemente mit ihren optischen (z) Achsen parallel zueinander verlaufend im Meßelement angeordnet sind. Damit ist erreicht, daß bei Erwärmen des Meßelementes die Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Scheiben in allen Richtungen gleich sind und Verspannungen an den Trennflächen zwischen den Scheiben vermieden werden. Die Krafteinleitung erfolgt in diesem Fall parallel zur elektrischen (x) Achse, wobei die piezoelektrische Empfindlichkeit durch den Piezomodul d₁₁ beschrieben wird. Zur Ladungsableitung sind hier die Elektroden jeder Seite der einzelnen Scheiben mit Verlängerungen versehen, die durch Bohrungen im Einkristall auf die jeweils gegenüberliegende Seite reichen, und dort umgestülpt sind und mit für die Isolierung notwendigem Abstand in eine Aussparung der dortigen Elektrode des benachbarten Kristallelementes passen. Durch die parallel zueinander verlaufenden z-Achsen können zwar jene Kräfte minimiert werden, die bei allfälliger Erwärmung des Meßelementes aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der Kristallelemente in der y- und z-Richtung an den Trennflächen zwischen zwei Kristallelementen entstehen; störende Ladungen aufgrund von mechanischen Scherspannungen im Meßelement, welche aus dem piezoelektrischen Schereffekt (Piezokoeffizient d₁₄) resultieren, können dadurch jedoch nicht vermieden werden.

Das aus der AT-PS 3 82 968 bekannte Meßelement löst das Problem der Ladungssammlung und Abfuhr aus dem Meßelement folgendermaßen: Die Elektroden der einzelnen Einkristallelemente liegen hier jeweils paarweise aneinander, wobei der Schichtkörper außen Verbindungsbrücken für die Elektroden gleichnamiger Ladungen aufweist. In der Umgebung der Verbindungsbrücken weisen die zur jeweils anderen Ladung gehörigen aneinanderliegenden Elektroden zweier benachbarter Kristallelemente jeweils Ausnehmungen auf. Die Verbindungsbrücken zwischen den einzelnen gleichnamigen Elektroden sind seitlich am Schichtkörper aufgedampft. Falls die optische (z) Achse mit jener Ebene, welche durch die am Schichtkörper gegenüberliegend angeordneten Verbindungsbrücken aufgespannt ist, einen Winkel 40° einschließt, kann ein Großteil der Störsignale, die aufgrund von transversalen Piezoeffekten beim Auftreten von Kräften normal zur x-Achse entstehen können, vermieden werden. Zwangsläufig werden jedoch auch hier jene Ladungen addiert, welche durch unbeabsichtigte aber dennoch nicht zu vermeidende Scherspannungen im Meßelement über den piezoelektrischen Schereffekt entstehen und durch keine der in den obengenannten Schriften angegebenen Maßnahmen vermieden werden können.

Ähnlich ist die Situation bei Meßwertaufnehmern, die den transversalen piezoelektrischen Effekt ausnützen. Wie beim longitudinalen Effekt erfolgt auch hier die elektrische Polarisation parallel zur x-Achse. Der wesentliche Unterschied liegt in der Krafteinleitung, welche zur Ausnutzung des transversalen Piezoeffektes parallel zur y-Achse erfolgt. Da eine Krafteinleitung parallel zur z-Achse keine dielektrische Verschiebung hervorruft, der Kristall also gegen Krafteinwirkung parallel zur optischen Achse unempfindlich ist, muß man bei Ausnutzung des transversalen Piezoeffektes darauf achten, daß die Krafteinwirkung möglichst parallel zur y-Achse des Kristalls erfolgt. Werden mehrere Kristallstäbe bzw. Kristallelemente in einem Meßwertaufnehmer auf dem Prinzip des transversalen Piezoeffektes verwendet, so muß aus den genannten Gründen stets auf die Orientierung der y-Achse bzw. der z-Achse großer Wert gelegt werden. Auch hier treten in der x-, y-Ebene unkompensierte Scherspannungen auf, die das Meßergebnis verfälschen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßelement der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei welchem trotz einfachem Aufbau der Einfluß von Fehlladungen aufgrund des piezoelektrischen Schereffektes minimiert werden kann, wobei eine geringe Störempfindlichkeit bezüglich thermischer und mechanischer Beanspruchung erhalten bleiben soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teil der verwendeten Kristallelemente einem bestimmten Enantiomorphie-Typ l oder r angehört und eine der beiden Absolutorientierungen der x-Achse α₁ oder α₂ aufweist und die übrigen Kristallelemente dem entgegengesetzten Enantiomorphie- Typ angehören und die entgegengesetzte Absolutorientierung der x-Achse aufweisen. Damit kann trotz eines von Null verschiedenen Koeffizienten d₁₄ in der Piezomatrix von Kristallen der Punktgruppe 32 eine bisher nicht für möglich gehaltene Eliminierung des Einflusses der genannten Schereffektladungen erfolgen.

Der Ausdruck Enantiomorphie ist in der Kristallographie ein gängiger Ausdruck und bedeutet, daß einige Kristalle der Kristallklasse 32, z. B. α-Quarz und seine Homöotypen in zwei möglichen Raumgruppen kristallisieren können, die mit P3₂21 und mit P3₁21 bezeichnet werden. Die beiden Formen, die bei Quarz als Brasilianer-Zwillinge bekannt sind, unterscheiden sich beispielsweise durch die Orientierung der Drehung der Polarisationsebene von Licht und werden daher mit l für links- bzw. r für rechtsdrehend bezeichnet. Die beiden möglichen Absolutorientierungen der x-Achse a₁ und α₂ ergeben bei Quarz die aus der Kristallographie bekannten Zwillinge vom Dauphin´e-Typ. Wichtig ist in diesem Zusammenhang eine konsistente Achsenbezeichnung. Diese ist hier und im folgenden so gewählt, daß für einen Rechtskristall die positive x-Richtung derart bestimmt und als +x-Achse bezeichnet wird, daß bei positiver Scherung eine positive Ladung abgegeben wird. Davon ausgehend ergeben sich die anderen Achsen und Vorzeichen.

Aus der untenstehenden Tabelle 1 sind die Vorzeichen der Ladungsabgabe in die +x-Richtung für den longitudinalen Piezoeffekt (d₁₁) und den piezoelektrischen Schereffekt (d₁₄) ersichtlich.

Tabelle 1

Vorzeichen der Ladungsabgabe in die +x-Richtung

Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, können in einer Variante I r α₁- und l α₂-Kristallelemente oder in einer Variante II r α₂ und l α₁-Kristallelemente kombiniert werden. Durch eine entsprechende Wahl der äußeren Abmessungen, beispielsweise der Dicke der einzelnen Kristallelemente, sowie der Größe der Elektrodenflächen auf den im wesentlichen normal zu den elektrischen Achsen stehenden Oberflächen können die aufgrund des Schereffektes entstehenden Ladungen vollkommen kompensiert werden.

Für die meisten Anwendungen sind jedoch alle Kristallelemente eines Meßelementes bezüglich ihrer Abmessungen und Elektrodenflächen völlig gleichartig aufgebaut, so daß in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, daß jeweils die Hälfte der Kristallelemente entgegengesetzten Enantiomorphie- Typen l und r angehören und entgegengesetzte Absolutorientierungen der x-Achsen α₁ und α₂ aufweisen.

Um auch inhomogen über den Kristallelementstapel verteilte Scherspannungen optimal kompensieren zu können, ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß jeweils zwei benachbarte Kristallelemente entgegengesetzten Enantiomorphie- Typen l und r angehören und entgegengesetzte Absolutorientierungen der x-Achsen α₁ und α₂ aufweisen, wobei jedes Paar von Kristallelementen aus einem l α₂- und einem r α₁-Typ bzw. einem r a₂- und einem l α₁-Typ besteht.

Der erfindungsgemäße Gedanke läßt sich sowohl in Ausnützung des longitudinalen als auch des transversalen Piezoeffektes anwenden, wenn im longitudinalen Fall bei einem Teil, vorzugsweise der Hälfte, der Kristallelemente des Meßelementes die Einleitung der zu messenden Größe T₁ parallel zur x-Achse und bei den übrigen antiparallel zur x-Achse erfolgt bzw. im transversalen Fall die optischen z-Achsen parallel zueinander ausgerichtet im Meßelement (1) angeordnet sind und die Einleitung der zu messenden Größe T₂ normal auf die von den Achsen x und z aufgespannte Ebene der einzelnen Kristallelemente des Meßelementes erfolgt. Falls das Meßelement in einer Umgebung verwendet wird, wo lediglich geringe Temperaturdifferenzen auftreten und somit unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Kristallelemente in den einzelnen Achsrichtungen nicht berücksichtigt werden müssen, können - unter Ausnutzung des longitudinalen Piezoeffektes - die z-Achsen der Kristallelemente zueinander beliebige Richtungen aufweisen.

Zur Erhöhung der Signalgüte und zur Verbesserung des Signal-Rauch-Verhältnisses kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß mehrere zumindest zwei Kristallelemente umfassende Teilstapel zu einer Einheit zusammengefaßt sind.

Vorteile für die Ladungsableitung und die Anbringung der die gleichnamigen Elektroden zusammenfassenden Verbindungsbrücken ergeben sich für eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, wenn ein den transversalen Piezoeffekt ausnutzendes Meßelement zumindest drei Teilstapel aufweist, welche kreisförmig um eine zur zu messenden Größe T₂ parallele Achse angeordnet sind, wobei die x-Achsen der einzelnen Kristallelemente parallel oder antiparallel zum Radius des Meßelementes und die z-Achsen der Teilstapel jeweils parallel zueinander angeordnet sind.

Kristallelemente, welche sich sowohl in ihrer Raumgruppe bzw. Enantiomorphie als auch in der Absolutorientierung der x-Achsen unterscheiden, können nicht aus einem Rohkristallbarren geschnitten werden. Um so mehr muß darauf geachtet werden, daß die einzelnen Kristallelemente möglichst gleiche physikalische Eigenschaften aufweisen. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, daß jedes der Kristallelemente zur Gänze aus einer bestimmten Wachstumszone eines Rohkristallbarrens stammt und frei von Zonengrenzen ist. Beim Wachstum von Kristallen, beispielsweise eines synthetischen Quarzkristalls entwickeln sich bekanntlich typische Wachstumszonen, welche mit X, S und Z bezeichnet werden. Sichtbar gemacht werden diese Zonen mittels Hitzebehandlung, Bestrahlung mit harter Röntgenstrahlung oder mittels Röntgentopographie.

Mit Hilfe der letztgenannten Methode sieht man auch, daß die Grenzen zwischen den einzelnen Wachstumszonen eine erhöhte Versetzungsliniendichte besitzen. Diese Kristalldefekte sind insbesondere in Meßwertaufnehmern mit vergleichsweise hoher thermischer und mechanischer Belastung der Kristallelemente Ausgangspunkte für Bruch- oder Rißbildung. Die Vermeidung von Zonengrenzen in den einzelnen Kristallelementen eines Meßelementes führt somit zu den eingangs geforderten Verbesserungen.

Aufgrund der unterschiedlichen Wachstumsgeschwindigkeiten der einzelnen Zonen sind bei Quarz vor allem die +x- und die Z-Zonen von Interesse, wobei letztere aufgrund ihrer größeren Wachstumsrate im allgemeinen größere Abmessungen aufweisen als die +x-Zonen und bevorzugt zur Erzeugung von Kristallelementen herangezogen werden.

Bei der Verwendung von GaPO₄ werden vor allem R-Zonen herangezogen, welche sich dadurch auszeichnen, daß die Wachstumsfläche dieser Wachstumszonen eine Rhomboederfläche ist.

Schließlich ist in einer weiteren Verbesserung vorgesehen, daß jene Kristallelemente, die demselben Enantiomorphie-Typ angehören und dieselbe Absolutorientierung aufweisen aus einem Rohkristallbaren stammen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläuert.

Es zeigen Fig. 1 ein Meßelement nach der Erfindung in Schnittdarstellung, Fig. 2 eine andere Ausgestaltung eines Meßelementes geschnitten nach Linie II-II in Fig. 3 und Fig. 3 eine Draufsicht auf das Meßelement nach Fig. 2.

Zur Vermeidung von Ladungsbeiträgen aufgrund von Scherspannungen werden bei einem den longitudinalen Piezoeffekt ausnützenden Meßelement 1 die beispielsweise scheibenförmigen Kristallelemente 2 in Fig. 1 derart gestapelt, daß benachbarte Kristallelemente 2 entgegengesetzten Enantiomorphie- Typen l und r (z. B. Linksquarz und Rechtsquarz) sowie unterschiedlichen Absolutorientierungen der x-Achse (Dauphin´e- Typen) α₁ und α₂ angehören. Neben der in Fig. 1 dargestellten Variante I nach Tabelle 1, in welcher sich l α₂- mit r α₁-Typen abwechseln, ist es natürlich auch möglich in einer hier nicht dargestellten Variante II l α₁- und r α₂-Typen paarweise zu kombinieren. Die Einleitung der zu messenden Größe T₁ erfolgt hier parallel bzw. antiparallel zu den positiven x-Richtungen der einzelnen Kristallelemente. Gegenüberliegende Flächen der Kristallelemente 2 sind jeweils mit Elektroden 3, 4 versehen, welche durch bekannte Verfahren, beispielsweise durch Aufdampfen, mit dem Kristallelement verbunden sind. An gegenüberliegenden Außenflächen des Meßelementes 1 sind die die jeweils gleichnamigen Elektroden 3 bzw. 4 zusammenfassenden Verbindungsbrücken 5 bzw. 6 angeordnet. Nähere Details für die Elektrodenanordnung sind aus der eingangs genannten AT-PS 3 82 968 ersichtlich.

Auf der linken Seite des Meßelementes 1 sind die Vorzeichen der Ladungen, welche dem longitudinalen Piezoeffekt (d₁₁) zugrunde liegen, eingetragen, auf der rechten Seite jene im Zusammenhang mit dem piezoelektrischen Schereffekt (d₁₄). Man sieht, daß sich die Ladungen auf der rechten Seite bei einer geraden Anzahl von Kristallelementen 2 sowohl für die positive Elektrode 6 als auch für die negative 5 aufheben, wobei auf die Tabelle 1 verwiesen wird, in welcher die Vorzeichen der Ladungsabgabe in die +x-Richtung ersichtlich sind. Im Gegensatz zur hier dargestellten Anordnung ist es auch möglich, die Z-Achsen der Kristallelemente 2 nicht parallel zueinander auszurichten.

In den Fig. 2 und 3 ist ein Meßelement 1 dargestellt, welches den transversalen Piezoeffekt ausnützt und insgesamt sechs Teilstapel 7 mit jeweils zwei Kristallelementen 2 aufweist. Die einzelnen Teilstapel 7 sind kreisförmig um eine zur zu messenden Größe T₂ parallele Achse 8 angeordnet, wobei die x-Achse der einzelnen Kristallelemente parallel bzw. antiparallel zum Radius des Meßelementes 1 angeordnet sind. In den einzelnen Teilstapeln 7 sind jeweils l α₂- und r α₁-Kristallelemente paarweise angeordnet. Die die negativen Ladungen abführenden Verbindungsbrücken 5 werden durch die in Fig. 2 ersichtliche elektrische Leitung 9 sowie die für die positiven Ladungen verantwortlichen Verbindungsbrücken 6 durch eine in Fig. 3 dargestellte Ringleitung 10 zusammengefaßt. Kompensiert wird hier die Scherspannung T₄ in der x-, y-Kristallebene, gemessen wird über den Piezokoeffizienten d₁₂.

Es ist auch möglich, bei Kristallelementen mit unterschiedlichen äußeren Abmessungen bzw. bei Vorliegen räumlich inhomogener Scherspannungen, mit Hilfe des Erfindungsgedankens bzw. durch die Wahl unterschiedlich großer Elektrodenflächen für eine Kompensation der Schereffektladungen zu sorgen.

Claims (9)

1. Piezoelektrisches Meßelement, insbesondere für Meßwertaufnehmer, mit zumindest zwei Kristallelementen, aus Kristallen der Punktsymmetrieklasse 32, bei welchen entgegengesetzte Enantiomorphie-Typen l und r existieren, wobei die Kristallelemente gemeinsam von der zu messenden mechanischen Größe, wie z. B. Kraft, Druck oder Beschleunigung, beaufschlagbar sind und an gegenüberliegenden, im wesentlichen senkrecht zu ihren elektrischen (x) Achsen angeordneten Oberflächen leitend anliegende Elektroden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der verwendeten Kristallelemente (2) einem bestimmten Enantiomorphie- Typ l oder r angehört und eine der beiden Absolutorientierungen der x-Achse α₁ oder α₂ aufweist und die übrigen Kristallelemente (2) dem entgegengesetzten Enantiomorphie- Typ angehören und die entgegengesetzte Absolutorientierung der x-Achse aufweisen.

2. Piezoelektrisches Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Hälfte der Kristallelemente (2) entgegengesetzten Enantiomorphie-Typen l und r angehören und entgegengesetzte Absolutorientierungen der x-Achsen α₁ und α₂ aufweisen.

3. Piezoelektrisches Meßelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte Kristallelemente (2) entgegengesetzten Enantiomorphie-Typen l und r angehören und entgegengesetzte Absolutorientierungen der x-Achsen α₁ und α₂ aufweisen, wobei jedes Paar von Kristallelementen (2) aus einem l α₂- und einem r α₁-Typ bzw. einem r α₂- und einem l α₁-Typ besteht.

4. Piezoelektrisches Meßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Teil, vorzugsweise der Hälfte, der Kristallelemente (2) des Meßelementes (1) die Einleitung der zu messenden Größe (T₁) parallel zur x-Achse und bei den übrigen antiparallel zur x-Achse erfolgt.

5. Piezoelektrisches Meßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen (z) Achsen parallel zueinander ausgerichtet im Meßelement (1) angeordnet sind und die Einleitung der zu messenden Größe (T₂) normal auf die von den Achsen x und z aufgespannte Ebene der einzelnen Kristallelemente (2) des Meßelementes (1) erfolgt.

6. Piezoelektrisches Meßelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zumindest zwei Kristallelemente (2) umfassende Teilstapel (7) zu einer Einheit zusammengefaßt sind.

7. Piezoelektrisches Meßelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein den transversalen Piezoeffekt ausnutzendes Meßelement (1) zumindest drei Teilstapel (7) aufweist, welche kreisförmig um eine zur zu messenden Größe (T₂) parallele Achse (8) angeordnet sind, wobei die x-Achsen der einzelnen Kristallelemente (2) parallel oder antiparallel zum Radius des Meßelementes (1) und die z-Achsen der Teilstapel (7) jeweils parallel zueinander angeordnet sind.

8. Piezoelektrisches Meßelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Kristallelemente (2) zur Gänze aus einer bestimmten Wachstumszone eines Rohkristallbarrens stammt und frei von Zonengrenzen ist.

9. Piezoelektrisches Meßelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jene Kristallelemente (2), die demselben Enantiomorphie-Typ angehören und dieselbe Absolutorientierung aufweisen, aus einem Rohkristallbarren stammen.