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Diese
Erfindung betrifft einen Druckmonitor, der eine SAW-Einrichtung
umfasst. Duckmonitore, die SAW-Einrichtungen umfassen, wurden beispielsweise
bereits in unserer UK-Patentanmeldung GB-A-2352814 vorgeschlagen.
Die SAW-Einrichtungen werden zum Erzeugen eines elektrischen Signals,
das die Position eines druckempfindlichen Elementes wie beispielsweise
einer Membran anzeigt, die zum Teilen einer Kammer, welche einen
Referenzdruck von einer Kammer enthält, die variablem Druck unterliegt,
verwendet. Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten
Druckmonitor diesen Typs. Dokument
GB
2235533 offenbart eine piezoelektrische Sensorvorrichtung,
die auf einer elastischen Membran befestigt ist, die um ihren Außenumfang
herum durch eine integrale starre Anordnung gehalten wird. Das Ausschlagen
innerhalb der Membran so zum Beispiel in Reaktion auf einen angelegten
Druck induziert eine Verformung in dem piezoelektrischen Material,
wodurch eine entsprechende Änderung
in der charakteristischen Frequenz der SAW-Einrichtung auftritt.
Diese Änderungen
in der charakteristischen Frequenz der SAW-Einrichtung werden anschließend als
ein Maß des
Ausschlagens der Membran und dementsprechend des auf sie angelegten
Druckes verwendet. Diese Einrichtung weist den Vorteil auf, dass
durch Befestigen der SAW-Einrichtung auf der Membran die Einrichtung sehr
empfindlich ist. Dennoch verkomplizieren mechanische Kanteneffekte,
die aus dem Einspannen der Kante der Membran herrühren, das
Interpretieren des Signalempfängers
von der SAW-Einrichtung in beachtlichem Maße. Darüber hinaus veranlassen Temperaturänderungen Änderungen
der charakteristischen Frequenz der SAW-Einrichtung, was die Genauigkeit
der Einrichtung beeinträchtigt.
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In Übereinstimmung
mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Druckmonitor bereitgestellt,
der die folgenden Komponenten umfasst: eine Basis mit einem starren
Rahmen; einen Deckel, der an der Basis gesichert ist, um mit der
Basis eine im Wesentlichen flüssigkeitsdichte
Kammer zu definieren, wobei wenigstens ein Teil des Deckels elastisch
ist und eine Membran bildet, die in Reaktion auf Änderungen
des Flüssigkeitsdrucks,
der den Monitor umgibt, ausschlägt;
Mittel, die entfernt von der Kante des Rahmens liegen, zum Übertragen
von Bewegung der Membran zu einem verzerrbaren Substrat, das in
der Kammer angeordnet ist, wobei das Substrat eine erste SAW-Einrichtung
darauf befestigt hat und wenigstens eine zweite und eine dritte SAW-Einrichtung innerhalb
der Kammer befestigt sind, wobei die zweite SAW-Einrichtung auf
einem Referenzsubstratabschnitt aufgebracht ist und wobei ihre Ausbreitungsrichtung
zu der Ausbreitungsrichtung von wenigstens der ersten und der dritten SAW-Einrichtung
in einem Winkel geneigt ist, wobei die durch eine Änderung
des Drucks in der den Druckmonitor umgebenden Zone induzierte Bewegung
der Membran zur Verzerrung des verzerrbaren Substrats, die von der
darauf befestigtem SAW-Einrichtung gemessen werden kann, führt, ohne
den Referenzsubstratabschnitt zu verzerren.
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Die
SAW-Einrichtungen können
von dem Typ eines SAW-Resonators sein, wobei in diesem Fall die
Verzerrung der SAW-Einrichtung durch Messen der Änderung in der Eigenfrequenz,
die durch die Verzerrung hervorgerufen worden ist, gemessen werden
kann, oder sie sind von dem Typ einer Verzögerungsleitung, wobei in diesem
Fall die Verzerrung der SAW-Einrichtung durch Messen der Änderung
in den Verzögerungseigenschaften,
die durch die Verzerrung hervorgerufen worden ist, gemessen werden kann.
Dementsprechend können Änderungen
des Druckes, dem der Druckmonitor unterliegt, durch Verfolgen der Änderungen
der Eigenschaften der SAW-Einrichtung bestimmt werden.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die SAW-Einrichtung
durch den Rahmen gestützt
und erstreckt sich entlang der Länge
der Kammer, die durch den starren Rahmen und den Deckel umgeben
ist. Dementsprechend führt
das Ausschlagen des Deckels, der als eine Membran fungiert, zum
Durchbiegen der SAW-Einrichtung mit einer daraus resultierenden Änderung
der Ausgabe der SAW-Einrichtung.
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Durch
Bereitstellen von drei SAW-Einrichtungen des Resonator-Typs, die
jeweils verschiedene Eigenfrequenzen besitzen, kann durch Analyse
der Frequenzverschiebungen, die durch die Verzerrung von einer der
SAW-Einrichtungen verursacht werden, eine Temperatur kompensierte
Anzeige der Verzerrung der SAW-Einrichtung und dementsprechend des
Verschiebung der Membran zusammen mit einer Anzeige der Temperatur
der SAW-Einrichtung erhalten werden. Die drei SAW-Einrichtungen
können
auf derselben Seite eines gemeinsamen Substrates angeordnet sein,
oder zwei SAW-Einrichtungen
können auf
der einen Seite eines gemeinsamen Substrates und die ande re auf
der gegenüberliegenden
Seite des gemeinsamen Substrats angeordnet sein. Alternativ dazu
können
zwei Einzelsubstrate bereitgestellt werden, wobei das eine zwei
SAW-Einrichtungen trägt
(auf derselben oder auf gegenüberliegenden Seiten
davon) und das andere eine SAW-Einrichtung trägt. Wenn mehr als ein Substrat
bereitgestellt wird, sollte die Anordnung so eingerichtet sein,
dass eine SAW-Einrichtung Beanspruchung durch Biegespannung resultierend
von dem Ausschlagen des Deckels unterliegt, und dass die anderen
zwei SAW-Einrichtungen keiner Biegespannung unterliegen und Referenzwerte
für die
Druck- und Temperaturmessungen liefern. Die Ausrichtung einer der
nicht Biegespannung unterliegenden SAW-Einrichtungen befindet sich
in einem von Null verschiedenen Winkel zu der Ausbreitungsrichtung
der anderen nicht Biegspannung unterliegenden SAW-Einrichtung, um
eindeutige Temperaturinformationen bereitzustellen.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfassen die Mittel, die entfernt von der Kante des
Rahmens liegen, zum Übertragen
der Bewegung der Membran zu der SAW-Einrichtung, einen oder mehrere
Höcker,
die auf dem Deckel bereitgestellt sind, die auf das Substrat der
SAW-Einrichtung drücken
können,
die jedoch nicht in der Lage sind, eine Spannkraft auf die SAW-Einrichtung
auszuüben. Der
oder jeder Höcker
kann durch eine in dem Material des Deckels ausgebildete Vertiefung
oder mittels eines geeigneten Elementes, das an dem Deckel befestigt
ist, bereitgestellt sein.
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In
einem Ausführungsbeispiel
ist die Kammer hermetisch mit einem Referenzdruck abgedichtet. Der
Referenzdruck ist so ausgewählt,
dass, wenn sich die Einrichtung innerhalb der Zone befindet, in der
sie arbeiten soll, der Druck, der die Einrichtung umgibt, höher als
der Referenzdruck ist, mit dem Ergebnis, dass die Membran in eine
Richtung nach innen der Basis ausschlagen und eine Kraft auf eine der
SAW-Einrichtungen ausüben
wird.
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Vorzugsweise
ist die Basis eine Basis aus Keramik oder Metall, auf der der Deckel
befestigt ist.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist eine einzelne SAW-Einrichtung mit der Vorderseite
nach unten zeigend befestigt und durch die Basis gestützt, wobei
der Höcker
der Membran von hinten einen Druck ausübt, und ein zweites Substrat
ist in einem Bereich, der keiner Biegespannung unterliegt, befestigt
und trägt
die zwei Referenz-SAW-Einrichtungen
(eine für
den Druck und eine für
die Temperatur). In Übereinstimmung
mit einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird eine doppelseitige SAW-Einrichtung zum Erfassen
von Druck verwendet, der durch zwei Höcker übertragen wird, und die Referenz-SAW-Einrichtungen
sind in einem Bereich, auf den keine Biegespannung ausgeübt wird,
in der Kammer für
Temperatur- und Druckreferenzinformationen, eingerichtet.
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Es
sind wenigstens drei SAW-Einrichtungen, wobei eine davon in Bezug
auf wenigstens eine der anderen in einem Winkel geneigt angeordnet
ist, erforderlich, so dass sowohl Temperatur- als auch Druckmessungen
erhalten werden können.
Zwei der SAW-Einrichtungen
können
jeweils auf einer Seite von zwei Substraten angeordnet sein, oder
zwei von ihnen können
auf den gegenüberliegenden
Seiten von einem Substrat angeordnet sein. Wenn zwei Substrate bereitgestellt
werden, enthält
der Deckel vorzugsweise drei Einbuchtungen, wodurch die zwei Substrate
jeweils entlang einer Kante durch einen gemeinsamen Steg und entlang
einer gegenüberliegenden
Kante durch einen entsprechenden Steg gestützt werden können. Vorzugsweise
erstrecken sich die Substrate nebeneinanderliegend entlang des Deckels.
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Die
Einrichtungen können
so eingerichtet sein, dass auf zwei Einrichtungen Biegespannung ausgeübt wird
und auf eine Einrichtung keine Biegespannung ausgeübt wird.
Zwei SAW-Einrichtungen, auf die Biegespannung ausgeübt wird,
werden anschließend
so eingerichtet, dass eine davon durch Zusammendrücken verformt
wird und eine durch Spannung durch die Bewegung des Deckels verformt wird.
Die SAW-Einrichtungen können
auf den gegenüberliegenden
Seiten eines gemeinsamen Substrates oder auf separaten Substraten
abgelegt werden. Wenn separate Substrate verwendet werden, sollten diese
so eingerichtet sein, dass eine SAW-Einrichtung durch Zusammendrücken und
gleichzeitig eine SAW-Einrichtung durch Spannung verformt wird.
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Vorzugsweise
ist der Deckel, der als eine Membran fungiert, eine Metalllegierung
wie beispielsweise eine Eisen-, Kobalt- oder Nickellegierung. So
kann der Deckel beispielsweise aus Kovar sein. Die Basis ist vorzugsweise
aus einer Metalllegierung (beispielsweise Kovar), sie kann jedoch
auch aus einem beliebigen anderen geeigneten Material wie beispielsweise
einer Keramiklegierung sein.
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Die
letztendliche Biegezugfestigkeit eines spröden Materials hängt nicht
nur von seiner Größe und Steifigkeit
ab sondern auch von dem Vorhandensein von vorher existierenden Schäden. Wenn die
SAW-Einrichtungen in dem System der Erfindung während des Betriebes gebogen
werden, wird die Oberfläche
an der Außenseite
der Biegung einer Spannung ausgesetzt, währenddessen die Oberfläche der
Innenseite der Biegung einem Zusammendrücken ausgesetzt wird. Jegliche
vorher existierenden Schäden
auf der Oberfläche,
die Spannung unterliegt, wird dementsprechend eine Fläche von Schwäche und
demzufolge mit Wahrscheinlichkeit die anfängliche Quelle eines jedweden
Ausfalls der Komponente, die Biegung unterliegt, sein. Die Stärke des
Ausfalls durch Biegung wird demzufolge durch die Größe des größten vorher
existierenden Schadens in der Komponente beschränkt.
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Herkömmlicherweise
werden ebenflächige Komponenten
aus Quarz durch Vorgänge
des Schleifens und des Läppens
hergestellt, was eine große
Zahl von kleinen Schäden
auf den Oberflächen der
Komponenten zur Folge hat, wobei die Größe der Schäden für die Schleif- und Läppungsprozesse
charakteristisch sind. Die komprimierte Oberfläche der Komponente wird anschließend durch
Polieren so abschlussbehandelt, dass das Absetzen von Metall darauf
ermöglicht
wird, um die verschiedenen Komponenten der SAW-Einrichtung zu bilden.
Herkömmlicherweise
wurde die auf Spannung beanspruchte Oberfläche jedoch nicht auf diese
Weise abschlussbehandelt, und zwar aus zwei Gründen: erstens, da die Extrakosten,
die durch das Polieren beider Oberflächen der Komponente als unnötig eingeschätzt wurden,
und, zweitens, da sich herausstellte, dass die nicht polierte Oberfläche die
Reflektion der Volumenwelle während
des Betriebs der SAW-Einrichtung unterdrückte, wodurch parasitäre Verluste,
die aus diesen Reflektionen resultieren, reduziert wurden.
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Dementsprechend
wurde herausgefunden, dass die Biegefestigkeit der SAW-Einrichtungen signifikant
verbessert werden kann, wenn gegenüberliegende Seiten der Komponente
poliert werden, so dass die Anzahl und die Größe der Schäden in der Oberfläche reduziert
werden kann, das heißt,
sowohl der Oberfläche,
auf der Metall abgesetzt wird, um die Komponenten der SAW-Einrichtung
zu bilden, und die bei Biegen der Einrichtung während der Benutzung einem Zusammendrücken unterliegt,
als auch der gegenüberliegenden
Oberfläche
davon, die bei Biegung der Einrichtung, die in Verwendung ist, Spannung
unterliegt, wobei die erste und die zweite Oberfläche poliert
werden.
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Es
können
weitere vorteilhafte Verbesserungen erzielt werden, indem auch die
Kanten der SAW-Einrichtung poliert werden, um jedwede Spannungserhöhungsursachen,
die aus dem Ausschneiden der Einrichtung aus der Scheibe resultieren,
zu beseitigen.
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Die
SAW-Einrichtungen in der Erfindung können durch Verwendung von herkömmlichen
Klebstoffen festgeklebt werden, jedoch hat sich herausgestellt,
dass die mechanischen Eigenschaften der resultierenden Verbindung
zu einem Reduzieren der Reaktionsfähigkeit und der Empfindlichkeit
der SAW-Einrichtungen führen.
Aus diesem Grund hat es sich anstattdessen als vorteilhaft herausgestellt,
die SAW-Einrichtungen durch Weichlöten zu befestigen, was durch
Bereitstellen einer Metallisierungsschicht auf der Verbindungsfläche des
Substrates der Einrichtung bewerkstelligt werden kann. Weichlöten besitzt
den Vorteil, dass dadurch die Übertragung
von Biegespannung und den thermischen Eigenschaften des Umformers
deutlich verbessert werden, was demzufolge die Genauigkeit und Empfindlichkeit
einer SAW-Einrichtung verbessert.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, eine Metallisierungsschicht
bereitzustellen, die aus einer aus mehreren Metallen bestehenden Beschichtung
mit einer äußeren Schicht,
die aus Gold gebildet ist, besteht, und anschließend die SAW-Einrichtung unter
Verwendung eines Lötstoffes aus
einer AuSn-Zusammensetzung an die jeweilige Stelle zu löten.
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Dies
besitzt den Vorteil einer guten Verbindung zu der metallisierten
Schicht, insbesondere, wenn eine Beschichtung aus mehreren Metallen
auf die Verbindungsoberfläche
der SAW-Einrichtung angewendet wird und die äußere Schicht dabei aus Gold
ist, und es besteht der Vorteil dahingehend, dass die SAW-Einrichtung
besonders effektiv mit dem Biegespannungsfeld der strukturellen
Komponente gekoppelt ist, das aufgrund der hohen Steifigkeit (68
GPa) und der Stärke
(275 MPa Spannfestigkeit) der AuZn-Zusammensetzung zum Fungieren als ein
gutes Übertragungsmedium
für Biegespannung
für das
Messen vorgesehen ist.
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Im
Gegensatz zu herkömmlichen
Biegespannungsmessgeräten
mit kaschierter Folie ist Einkristallquarz ein steifes Material
(80 GPa), und die die Biegespannungspegel, die zum erfolgreichen Übertragen
von Biegespannung von einem strukturellen Element, das beispielsweise
aus Stahl gebildet ist, erforderlich sind, sind in einer SAW-Einrichtung aus
Quarz notwendigerweise hoch. Als Ergebnis wird Kriechschlupf bei
viel niedrigeren Temperaturen auftreten, wenn ein herkömmlicher
Klebstoff für
das Biegespannungsmessgerät
wie beispielsweise M Bond 610 verwendet wird. Die Verwendung von
AuZn resultiert hingegen in viel niedrigeren Pegeln von Kriechschlupf
und Hysterese bei den hohen Temperaturen, die bis zu 125 Grad Celsius
betragen können,
die typischerweise in Automobilanwendungen vorzufinden sind.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele davon,
die lediglich im exemplarischen Sinne angeführt werden, besser verständlich,
wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet
wird, in denen:
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1A eine
schematische Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung
vor der Anwendung des Deckels ist;
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1B ist
eine schematische Querschnittsdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung entlang der in 1A dargestellten
Linie 1B-1B, wobei der Deckel an Ort und Stelle vorhanden ist;
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2A ist
eine schematische Darstellung, die 1A entspricht,
jedoch ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt;
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2B ist
eine schematische Querschnittsdarstellung des zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung entlang der in 2A dargestellten
Linie 2B-2B, wobei der Deckel an Ort und Stelle vorhanden ist;
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3A ist
eine schematische Darstellung, die 1A entspricht,
jedoch ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt;
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3B ist
eine schematische Querschnittsdarstellung des dritten Ausführungsbeispiels
der Erfindung entlang der in 3A dargestellten
Linie 3B-3B, wobei der Deckel an Ort und Stelle vorhanden ist;
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4A ist
eine schematische Draufsicht, die ein viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt;
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4B ist
eine schematische Querschnittsdarstellung des vierten Ausführungsbeispiels
entlang der in 4A dargestellten Linie 4B-4B;
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5A ist
eine schematische Draufsicht, die ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung
darstellt;
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5B ist
eine schematische Querschnittsdarstellung des fünften Ausführungsbeispiels entlang der
in 5A dargestellten Linie 5B-5B;
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6A ist
eine schematische Draufsicht, die ein sechstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt; und
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6B ist
eine schematische Querschnittsdarstellung des sechsten Ausführungsbeispiels
entlang der in 6A dargestellten Linie 6B-6B.
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In
Bezug auf die 1A und 1B wird
zunächst
ein Druckmonitor 1 schematisch dargestellt, der eine Basis 2 mit
einem starren Rahmen 3A und einer starren Basis 3B,
die zusammen einen flachen rechteckigen Behälter 4 definieren,
umfasst. Der Behälter 4 kann
aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, und in dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist der Behälter
aus einem metallenen Material wie beispielsweise Kovar. Der Behälter 4 hat
an seinem offenen Ende einen Deckel 5 befestigt, der eine
Hauptoberfläche 5A besitzt, die
als eine Membran fungiert. Der Deckel kann aus einem beliebigen
geeigneten Material wie beispielsweise Kovar gebildet sein. Sowohl
das Material, aus dem die Basis besteht, als auch das Material,
aus dem der Deckel, der als eine Membran fungiert, besteht, sind
vorzugsweise Gas gegenüber
undurchlässig,
und die Abdichtung zwischen dem Deckel und der Basis ist ebenfalls
vorzugsweise Gas gegenüber undurchlässig. Die
Abdichtung zwischen dem Deckel in der Basis kann durch jedes beliebige
nützliche
Mittel gebildet werden. Wenn sowohl der Deckel als auch die Basis
aus einer geeigneten Metalllegierung bestehen, kann die Dichtung
dazwischen durch einen Weichlötprozess
gebildet werden. Wenn der Deckel 5, der als eine Membran
fungiert, an der Basis 4 befestigt wird, wird eine versiegelte
Kammer 6 durch den Deckel und durch die Basis definiert.
Der absolute Druck, der innerhalb der Kammer 6 enthalten
ist, wird zu dem Zeitpunkt der Herstellung unter Berücksichtigung
der Druckbedingungen bestimmt, auf die die Einrichtung empfindlich
reagieren soll. Wenn beispielsweise vorgesehen ist, dass die Einrichtung
den Druck innerhalb eines Fahrzeugreifens überwachen soll, wird sie typischerweise
in einer Zone arbeiten, die einen Druck von 2 bis zehn Bar hat,
und unter diesen Umständen
kann der Druck, der abgedichtet innerhalb der Kammer 6 enthalten
ist, beispielsweise bei einer Temperatur von 20°C ein Bar sein. Alternativ dazu
kann in der Kammer 6 ein Vakuum eingeschlossen werden,
um absolute Druckablesungen bereitzustellen.
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Innerhalb
der Kammer 6 ist ein Einzelsubstrat 7 befestigt,
das drei SAW-Einrichtungen X, Y, Z darauf ausgebildet hat, um eine
Ausgabe eines Temperatur kompensierten Druckes und einer Temperaturüberwachung
zu gewährleisten.
Die SAW-Einrichtungen können
beispielsweise SAW-Resonatoren sein, die verschiedene Eigenfrequenzen
haben, so dass die Änderungen
in den Eigenfrequenzen der jeweiligen SAW-Einrichtungen unter Verwendung der bereits
existierenden herkömmlichen
SAW-Einrichtungs-Abfragungstechnologie
bestimmt werden können.
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Der
Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die SAW-Einrichtungen
X und Z keiner Beanspruchung durch Biegespannung unterliegen, und dass
lediglich die SAW-Einrichtung
Y' durch Biegespannung
beansprucht wird, wenn der Druck auf den Sensor angelegt wird. Dadurch
wird der Prozess der Sensorkalibrierung und der Berechnung des Druckes
und der Temperatur anhand der Ergebnisse der Frequenzmessungen erheblich
vereinfacht.
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Tatsächlich hängt die
gemessene Differenz zwischen den zwei Eigenfrequenzen |fx – fz| lediglich von der Temperatur, und nicht
von dem Druck ab, demzufolge kann der Wert der Temperatur sofort
anhand von |fx – fz|
ermittelt werden. Da beide Einrichtungen, X und Z, auf demselben
Substrat ausgebildet sind, hängt
die Frequenzdifferenz |fx – fz| lediglich von der Temperatur in dem Fall
ab, in dem die Temperatureigenschaft der Einrichtung Z von der der
Einrichtung X abweicht. Um solch eine abweichende Temperatureigenschaft
zu erhalten, wird die Einrichtung Z relativ zu der Einrichtung X
bei einem bestimmten Winkel, so wie in 1A dargestellt,
rotiert. Die Temperaturempfindlichkeit hängt von dem Drehwinkel ab. Ein
Winkel liegt in dem Bereich zwischen 10 bis 30°, es hat sich gezeigt, dass
sich insbesondere mit einem Winkel zwischen 16 bis 20° besonders
gute Ergebnisse erzielen lassen. So liefert beispielsweise ein Winkel
von 18° die
Empfindlichkeit von ungefähr 2
kHz°C–1 für das ST-X
geschnittene Quarzsubstrat.
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Der
Wert des Drucks kann anhand der gemessenen Frequenzdifferenz zwischen
|fx – fz| ermittelt werden. Die Empfindlichkeit
von |fx – fz|
gegenüber
Druck hängt
für gewöhnlich auch
von der Temperatur ab. Durch die Kenntnis über dieses Abhängigkeitsverhältnis anhand
der Kalibrierungsdaten und durch das Ermitteln der Temperatur anhand
von |fx – fz|
kann eine vollständige
Temperaturkompensation des gemessenen Druckes erzielt werden, ohne
das nicht-lineare algebraische Gleichung gelöst werden müssen.
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Das
Substrat 7 wird durch die Basis 2 gestützt und
kann zu einem weiteren Nutzen an der Basis mittels eines elastischen
Klebstoffes befestigt werden. Wenn Klebstoff zum Befestigen des
Substrates in der jeweiligen Position verwendet wird, sollte die
Elastizität
des Klebstoffes so eingerichtet sein, dass die jeweiligen Endbereiche 8, 9 des
Substrates 7 frei beweglich sind, wenn auf das Substrat 7 durch einen
Vorsprung 10 eingewirkt wird, der in einem ganzen Stück mit dem
Deckel 5 gebildet ist oder an diesen befestigt ist. Dementsprechend
sind die Endbereiche 8, 9 im Wesentlichen keiner
Beanspruchung durch Biegespannung ausgesetzt, selbst wenn der mittlere
Bereich als Ergebnis der Bewegung der Membran durch Biegespannung
beansprucht wird.
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Der
Deckel 5 ist in der Mitte der Hauptoberfläche 5A bereitgestellt,
wobei ein Vorsprung 10 durch eine Vertiefung, die in das
Material des Deckels gedrückt
ist, gebildet ist. Die Position des Vorsprunges 10 ist
durch die unterbrochene Linie in 1A dargestellt.
Der Vorsprung 10 ist in der Lage, eine nach unten verlaufende
Kraft (wie in 1B dargestellt) in der Mitte
des Substrates auszuüben.
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Es
werden geeignete Antennen für
das Empfangen eines Erregungssignals für jede der SAW-Einrichtungen
X, Y, Z und für
das Übertragen eines
Antwortsignals von jeder der SAW-Einrichtungen bereitgestellt. Die
Antenne kann auf der Außenseite
des Behälters 4 angebracht
sein, in diesem Fall müssen
geeignete elektrische Verbindungen bereitgestellt sein, die sich
durch das Material des Behälters 4 erstrecken.
Alternativ dazu können
die Antennen auch als Spur auf der inneren Oberfläche des Behälters 4 oder
auf geeigneten Bereichen des Substrates 7 abgelegt werden,
die nicht durch die SAW-Einrichtungen
selbst belegt sind.
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Während der
Verwendung wird ein Druckmonitor, der wie oben beschrieben eingerichtet
ist, innerhalb einer Zone positioniert, von der der Druck zu überwachen
ist. Der Druckmonitor wird unter Berücksichtigung der Drücke, auf
die er empfindlich sein soll, ausgewählt, und insbesondere wird
der absolute Druck, der innerhalb der Kammer 6 eingeschlossen ist,
so ausgewählt,
dass die Membran 6 in Richtung zu der Basis 3B durch
den Druck, der in dem Bereich verbleibt, auf den die Einrichtung
empfindlich ist, ausschlägt.
Dieses Ausschlagen der Membran wird das Biegen des Substrates 7 nur
zwischen den Kanten 11, 12 des Rahmens 3A und
dementsprechend eine Änderung
in der Eigenfrequenz der mittigen SAW-Einrichtung Y verursachen.
Die Eigenfrequenz der SAW-Einrichtungen kann anhand von bekannten Verfahren
zum Kalibrieren der Überwachungsvorrichtung
bestimmt werden.
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Wenn
eine Änderung
des Druckes in der Zone, die die Einrichtung umgibt, vorliegt, führt dies
zu einer Bewegung des Deckels 5, der als eine Membran fungiert.
Ein Ansteigen des Druckes führt
zu einer Bewegung der Membran in Richtung der Basis 3B, und
ein Abfallen des Druckes führt
zu einer Bewegung der Membran in Richtung weg von der Basis 3B.
Jede der beiden Änderungen
führt zu
einer Änderung
in der Biegung des Substrates 7 mit einer daraus resultierenden Änderung
der Eigenfrequenz der mittigen SAW-Einrichtung Y. Durch Überwachen
der Änderungen
der Eigenfrequenz der SAW-Einrichtungen
kann eine Anzeige der Änderungen
des Druckes bereitgestellt werden. Die Einrichtung kann beispielsweise
innerhalb eines Fahrzeugreifens platziert sein, um eine Fernanzeige
eines Druckverlustes innerhalb des Fahrzeugreifens bereitzustellen.
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Das
in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel
ist besonders wünschenswert
aufgrund der Tatsache, dass ein Substrat 7 bereitgestellt
wird und die SAW-Einrichtungen dementsprechend auf lediglich einer
Oberfläche
bereitgestellt werden können.
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Es
wird offensichtlich sein, dass das oben beschriebene Ausführungsbeispiel
der Erfindung besonders einfach herzustellen ist und im Grunde genommen
lediglich vier Elemente umfasst, und zwar die Basis 2,
das Substrat 7 (mit seinen assoziierten SAW-Einrichtungen), den
Deckel 5 und geeignete Antennen (nicht dargestellt). Darüber hinaus
kam die Einrichtung unter Verwendung von drei identischen SAW-Einrichtungen
konstruiert werden, wobei die unterschiedlichen Eigenschaften der
Y- und der Z-Einrichtungen
durch ihre unterschiedlichen Ausrichtungen erzielt werden. Die Komponenten
können unter
Fabrikbedingungen mittels einer einfachen und logischen Schrittfolge
zusammengebaut werden, die so gestaltet ist, dass die Antenne als
geeignete Spuren auf die Basis 2 abgelegt werden kann und
die Basis 2 mit der Antenne verbunden werden kann, und schließlich der
Deckel 5 an der Basis gesichert werden kann, um die Einheit
fertigzustellen. Die einfachen Zusammenbautechniken bieten erhebliche praktische
Vorteile für
eine in Massenproduktion hergestellte Einheit, die in relativ kostengünstigen
Anwendungen wie beispielsweise dem Überwachen des Druckes innerhalb
von Fahrzeugreifen eingesetzt werden kann. Wenn die Einheit erst
einmal hergestellt ist, ist sie vollständig für sich allein einsetzbar und
erfordert lediglich, dass sie an einer Position befestigt werden
muss. Das Befestigen der Einheit an einer Position kann durch angelernte
oder ungelernte Arbeitskräfte
innerhalb einer Fabrikumgebung durchgeführt werden.
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In
dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
werden zwei Substrate 20, 21 anstelle des Einzelsubstrates 7 in 1 bereitgestellt, und es sind wenigstens
zwei SAW-Einrichtungen auf dem unteren Substrat 21, das
keiner Spannung oder Biegung ausgesetzt ist, bereitgestellt, von
denen eine relativ zu der anderen, so wie in dem ersten Ausführungsbeispiel,
in einem Winkel geneigt angeordnet ist. In anderen Aspekten sind
die Komponenten im Betrieb des Ausführungsbeispiels aus 2 im Wesentlichen die gleichen wie die
in dem Ausführungsbeispiel
aus 1. Genau wie in dem Fall des Ausführungsbeispiels,
das in 1 dargestellt ist, können die
Substrate 20, 21 nützlicherweise mittels eines
elastischen Klebstoffes in Position gehalten werden.
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In
dem in 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel
werden zwei Substrate 30, 31 und zwei SAW-Einrichtungen
auf gegenüberliegenden
Seiten des oberen Substrates 30, welches Biegespannung ausgesetzt
ist, bereitgestellt. In anderen Aspekten sind die Komponenten im
Betrieb des Ausführungsbeispiels
aus 3 im Wesentlichen die gleichen
wie die in dem Ausführungsbeispiel
aus 2, das heißt, es wird eine dritte SAW-Einrichtung
auf dem Substrat, das keiner Biegspannung ausgesetzt ist, in einem Winkel
zu wenigstens einer der durch Biegespannung beanspruchten Einrichtungen
geneigt angeordnet, so dass es möglich
wird, dass sowohl der Druck als auch die Temperaturablesungen durchgeführt werden
können.
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In
Bezug auf 4 wird im Folgenden ein weiteres
Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Genau wie in dem Fall der in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispiele
umfasst die Einrichtung einen Behälter 4, der aus einem
keramischen oder einem metallenen Material besteht. Der Behälter 4 umfasst
einen starren Rahmen 3A und eine Basis B. Die geöffnete Öffnung des
Behälters wird
durch einen Deckel 5, der als eine Membran fungiert, geschlossen,
um eine hermetisch abgedichtete Kammer 6 zu definieren.
In dem Fall dieses Ausführungsbeispiels
wird ein SAW-Einrichtungs-Substrat 40 zum Erfassen von Änderungen
in dem Ausschlagen der Membran 5 an der Membran selbst
befestigt. Zu diesem Zweck werden eingedrückte Vertiefungen 42, 43 in
der Membran bereitgestellt. Die Vertiefungen 42, 43 definieren
Rillen innerhalb der Kammer 6, in denen das Substrat 40 beispielsweise
durch Weichlöten
befestigt wird. Das Substrat 40 hat eine oder zwei SAW-Einrichtungen)
auf ihm aufgebracht. Ein weiteres Substrat 41 ist auf dem
Bereich der Kammer 6, der keiner Biegespannung ausgesetzt
ist, befestigt und trägt
wenigstens zwei weitere SAW-Einrichtungen, so dass Druck- und Temperaturüberwachungsmöglichkeiten
bereitgestellt sind.
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In
dem Fall der in 4 dargestellten Ausführungsbeispiele
führt die
durch die Druckänderungen
hervorgerufene Verformung des Deckels 5, der als eine Membran
fungiert, direkt zu der Verformung des Substrates 40, was
zu einer Änderung
der Eigenfrequenz der SAW-Einrichtungen, die darauf befestigt sind,
führt.
Antennen für
die SAW-Einrichtungen können durch
ein beliebiges nützliches
Mittel so wie beispielsweise durch eine elektrisch geleitete Spur, die
auf der Oberfläche
des Behälters 4 aufgebracht ist,
oder durch elektrische Verbindungen zu externen Antennen, die durch
den Behälter 4 verlaufen,
bereitgestellt werden.
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Die 5A und 5B zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, in dem die SAW-Einrichtungen X, Y, Z
auf einem Einzelsubstrat 50 befestigt sind, welches an
der Basis 2 lediglich an einem Ende befestigt ist, so dass
ein vorspringender Träger
gebildet werden kann, der durch den Vorsprung 10 auf der
Membran an einem Punkt teilweise entlang der Länge des Substrates in Eingriff gebracht
werden kann. Eine der SAW-Einrichtungen ist auf dem vorspringenden-Träger-Substrat
zwischen dem gestützten
Ende und dem Eingriffspunkt des Vorsprunges 10 befestigt,
währenddessen
die anderen zwei SAW-Einrichtungen X, Z zwischen dem Eingriffspunkt
des Vorsprunges 10 und dem frei beweglichen Ende des vorspringenden
Trägers
befestigt sind, so wie dies in 5A dargestellt
ist. Genauso wie in dem Fall der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
ist die dritte SAW-Einrichtung in einem Winkel zu der zweiten SAW-Einrichtung
X geneigt angeordnet, so dass eine verschiedene Temperatureigenschaft
erzielt werden kann.
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Das
Laden des Substrates durch den Vorsprung verursacht eine Biegespannung
in dem ersten Abschnitt des Substrates zwischen dem Ende und dem
Eingriffspunkt der Vorsprünge,
wodurch eine Druckreaktion in der ersten SAW-Einrichtung (Y) hervorgerufen
wird. Der zweite Abschnitt des Substrates zwischen dem Eingriffspunkt
des Vorsprunges 10 und dem freien Ende des Substrates ist
jedoch keiner Biegespannung ausgesetzt und liefert einen Referenzbereich – jegliche Änderungen
in den Eigenschaften der SAW-Einrichtungen X, Z, die darauf befestigt
sind, sind lediglich ein Ergebnis von Temperaturänderungen.
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Die 6A und 6B zeigen
eine Abänderung
des in den 5A und 5B dargestellten Ausführungsbeispiels,
in dem das Substrat erneut an der Basis 2 lediglich an
einem Ende befestigt ist, aber in diesem Fall zusätzlich noch
in seiner Mitte durch das Stützelement 61 gestützt wird,
so dass das Substrat in zwei Abschnitte unterteilt wird, einen ersten Stababschnitt,
der sich zwischen der Basisbefestigung und dem Stützelement 61,
auf der die erste SAW-Einrichtung Y befestigt ist, erstreckt, und
einen zweiten Abschnitt eines vorspringenden Trägers, der durch den Abschnitt
des Substrates gebildet ist, der über das Stützelement 61 hervorsteht,
und auf dem die zweite (X) und die dritte (Z) SAW-Einrichtung befestigt
sind. Genau wie in dem Fall der voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele,
ist die dritte SAW-Einrichtung (Z) in einem Winkel zu der zweiten SAW-Einrichtung
(X) geneigt angeordnet, so wie dies in 6A dargestellt
ist. Der Vorsprung 10 auf der Membran wird anschließend so
positioniert, dass der Stababschnitt des Substrates, der ein verformbares Substrat
darstellt, in Eingriff gebracht werden kann, wodurch eine Biegspannung
der ersten SAW-Einrichtung nur bei Ausschlagen der Membran verursacht
wird. Durch die Bereitstellung des Stützelementes 61 wird
der Abschnitt des vorspringenden Trägers veranlasst, nach oben
auszuschlagen, wenn der Vorsprung 10 mit dem Substrat in
Eingriff gebracht wird, wobei er ansonsten so eingerichtet ist, nicht
Biegespannung ausgesetzt zu sein, um einen Referenzbereich liefern
zu können.
In anderen Aspekten ist die Funktionsweise der in den 5 und 6 dargestellten
Ausführungsbeispiele
die gleiche wie für
die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es wird selbstverständlich offensichtlich
sein, dass in den in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen die zweite
und die dritte SAW-Einrichtung X, Y gegenüberliegend um die Positionen, die
in den Zeichnungen dargestellt sind, herum befestigt werden können.