DE69130843T2 - Piezo-elektrischer Temperaturfühler - Google Patents

Piezo-elektrischer Temperaturfühler

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    • G01K7/32Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using change of resonant frequency of a crystal

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf die Temperaturmessung, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines piezoelektrischen Kristalloszillators.
  • Piezoelektrische, d. h. Quarzkristall-Oszillatoren oder Resonatoren werden in weitem Umfang als Frequenznormale verwendet, beispielsweise für Frequenzsyntheseanwendungen. Obwohl der Frequenzgang eines Quarzbauteils bei Temperaturänderungen relativ klein ist, ist er für Anwendungen mit engen Toleranzen von erheblicher Bedeutung und muß daher durch die Ableitung eines Fehlersignals kompensiert werden. Eine bevorzugte Lösung dieses Problems besteht darin, den Quarzkristall selbst als Temperatursensor zu verwenden. Es wurde festgestellt, daß einige Harmonische einen stärkeren Frequenzgang mit der Temperatur aufweisen, als andere.
  • Eine Lösung dieses Problems ist in der EP-A-0 136 627 beschrieben, die sich auf eine Resonatoranordnung bezieht, bei der zwei Harmonische einer Grundfrequenz verglichen werden, um ein Maß der Kristalltemperatur abzuleiten.
  • Eine weitere Lösung des Problems ist beispielsweise in dem US-Patent 4 872 765 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird das Korrektursignal von einem Signal abgeleitet, das gleich mFn-nFm ist, worin Fn die n-te harmonische Frequenz und Fm die (eine niedrigere Frequenz aufweisende) m-te Harmonische ist. Diese Lösung leidet an dem Nachteil, daß die relativ großen Unterschiede zwischen den Schwingungsbereichen der Oberschwingungsfrequenzen sehr starke Beschränkungen hinsichtlich der Konstruktion eines kompakten Kristalls bedingen, der ein gutes Betriebsverhalten bei den verschiedenen harmonischen Frequenzen liefern muß. Wenn beispielsweise die Schwingungen eines Kristalls mit einem Durchmesser von 10 um und mit einem SC-Schnitt auf den Mittelpunkt des Bauteils begrenzt werden sollen, um unerwünschte Wechselwirkungen mit Biegemoden zu vermeiden, ist eine Oberflächenkontur von ungefähr 7 Dioptrien erforderlich. Ein derartig hohes Ausmaß einer Oberflächenkrümmung führt beispielsweise dazu, daß die dritte Oberton-Mode extrem empfindlich gegen Auswirkungen von kleinen Oberflächenunregelmäßigkeiten wird, die zu einer Wechselwirkung mit Biegemoden führen.
  • Eine weitere Lösung besteht in der Verwendung von Harmonischen von zwei unterschiedlichen Modenklassen. Diese Technik ist beispielsweise in dem US-Patent 4 468 634 beschrieben, die die Verwendung eines Stimmgabelresonators beschreibt, der sowohl in einer Torsions- als auch einer Biegebetriebsart schwingt. Die Frequenzdifferenz zwischen diesen beiden Moden ist temperaturabhängig und ergibt somit ein Maß der Kristalltemperatur. Diese Technik ergibt jedoch schwerwiegende Beschränkungen hinsichtlich der Konstruktion des Resonators. Andere auf diesem Gebiet Tätige haben die Verwendung einer B-Moden-Harmonischen zusammen mit einer C-Moden-Harmonischen vorgeschlagen. Dies kann im Prinzip eine genaue Temperaturmessung ergeben. Es wurde jedoch festgestellt, daß es bei Kristallschnitten, bei denen die C-Mode relativ stabil ist, nahezu unmöglich ist, eine Kopplung zwischen den B-Moden und den Biegemoden vollständig zu vermeiden. Entsprechend weist die B-Mode bei bestimmten Temperaturen erhebliche Verzerrungen ihres Temperaturganges auf. Weiterhin wurde festgestellt, daß die Frequenz des B-Moden-Oszillators gegenüber Beanspruchungen empfindlich ist, die sich aus der Temperaturänderungsgeschwindigkeit ergeben, wodurch eine weitere Ungenauigkeit eingeführt wird.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in einer weitgehenden Verringerung oder Beseitigung dieser Nachteile.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines piezoelektrischen Resonator-Temperatursensors, der eine hohe Genauigkeit aufweist und einen stabilen Betrieb ergibt.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Kristallresonators geschaffen, der einen linsenförmigen Quarzkörper umfaßt, wobei das Verfahren die Schaffung einer Vielzahl von Elektroden auf dem Körper, die Erzeugung von harmonischen Schwingungen über die Elektroden und den Vergleich der Frequenzen der Harmonischen umfaßt, um auf diese Weise ein Signal abzuleiten, das die Resonator- Temperatur anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Harmonischen jeweils eine als jeweils eine von jeweiligen ersten und zweiten C-Moden-Grundschwingungen erzeugt werden und zueinander in nichtharmonischer Beziehung stehen, von ähnlicher Frequenz sind und die gleiche Oberschwingungsordnung haben, daß jede der harmonischen Schwingungen eine Schermoden-Schwingung ist, die als eine (n, a, b)-Schwingung gekennzeichnet ist, worin n die Oberschwingungsnummer ist und gleich der Anzahl von Knoten entlang einer ersten Richtung ist, a die Anzahl von Schwingungsbäuchen entlang einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist, und b die Anzahl von Schwingungsbäuchen entlang einer dritten Richtung senkrecht zu den ersten und zweiten Richtungen ist.
  • Die beiden Schwingungen werden als zueinander in nichtharmonischer Beziehung stehende Signale bezeichnet. Typischerweise übersteigt die höhere Frequenz die niedrigere Frequenz um weniger als 5% und vorzugsweise um 2% oder weniger. Speziell ist keine Frequenz eine einfache Vielfache oder ein einfacher rationaler Bruchteil der anderen. Weil die nichtharmonischen Signale eine ähnliche Frequenz und Schwingungsart aufweisen, sind die Auswirkungen beispielsweise eines Modeneinfangens ähnlich, so daß eine kompakte Kristallkonstruktion ein gutes Betriebsverhalten in beiden nichtharmischen Moden liefern kann. Weiterhin kann die Auswahl zwischen den Moden durch die Verwendung geeigneter Elektrodenstrukturen und durch Steuerung der Ansteuerphase des die Schwingung aufrechterhaltenden Verstärkers bestimmt werden, wodurch Probleme vermieden werden, die sich aus der Verwendung von unterschiedlichen frequenzselektiven Elementen ergeben. Weil die harmonischen Schwingungen hinsichtlich ihrer Frequenz einen engen Abstand aufweisen und von ähnlicher Art sind, werden sie zusätzlich in gleicher Weise durch Strahlung und anderer Umgebungsbedingungen beeinflußt.
  • Die Technik ist von spezieller Anwendung für die Temperaturkompensation von Kristalloszillatoren unter Verwendung von Frequenzsynthese-Techniken.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • Fig. 1 eine teilweise schematische Draufsicht auf einen Kristallresonator ist, der zur Schwingung in zwei Schwingungsmoden ausgebildet und mit Elektroden versehen ist,
  • Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Resonators nach Fig. 1 ist,
  • Fig. 3 und 4 zwei Ausführungsformen von Modenerregungsschaltungen zur Verwendung mit dem Resonator nach Fig. 1 sind,
  • Fig. 5 und 6 die räumliche Verteilung von typischen SC-Schwingungsmoden zeigen, und
  • Fig. 7 eine Frequenzsynthesizerschaltung zeigt, die einen Kristallresonator beinhaltet und mit einer Temperaturregelung für die Ausgangsfrequenz versehen ist.
  • Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ist zu erkennen, daß der Resonantor einen allgemein linsenförmigen Quarzkörper 1 umfaßt, der mit Metall-Elektroden 13, 14 und 15, beispielsweise Nickelchrom-/Gold-Elektroden, versehen ist. Es wird vorzugsweise ein Kristall mit SC-Schnitt verwendet. Zur Unterstützung des Verständnisses der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 sind zueinander senkrechte Vektoren i, j und k gezeigt, die drei räumliche Bezugsrichtungen definieren. Andere geeignete Kristallschnitte schließen die AT- und BT-Schnitte ein. Der Kristall kann auf einer Fläche eben sein, oder beide Flächen können mit einer Kontur versehen sein.
  • Die Elektroden 13, 14 und 15 sind so auf der Resonatoroberfläche angeordnet, daß sie zwei eine ähnliche Frequenz aufweisende C-Moden-Schwingungen erzeugen, die allgemein durch die Pfeile X und Y angezeigt sind. Diese Pfeile zeigen die örtlichen Bewegungen entsprechend den beiden harmonischen Moden zu einem Zeitpunkt für die (n, 2,1)- bzw. (n, 1,1)- Mode an. Vorzugsweise ist n eine ungerade ganze Zahl.
  • In vorteilhafter Weise werden die Schwingungen über eine Elektrodenstruktur angeregt, die eine bevorzugte Kopplung durch unterschiedliche Oszillatoren an unterschiedliche nichtharmonische Moden ermöglicht, wodurch die Notwendigkeit einer Schmalband-Frequenzauswahl oder ein Einfangen in dem die Schwingung aufrechterhaltenden Verstärker vermieden wird.
  • Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Elektrodenanordnung ist für einen Kristall mit SC-Schnitt geeignet. Für einen Kristall mit einem AT-Schnitt würde eine Elektrodenanordnung ähnlich der einer monolithischen Doppelkristallfilters besser geeignet sein.
  • Die Moden werden durch Anlegen geeigneter Potentiale an die Elektroden erregt. Bei einem Kristall vom SC-Schnitt erregt beispielsweise das Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den äußeren Elektroden 13 und 15 bei mit einem in der Mitte zwischen den Potentialen der äußeren Elektrode liegenden Potential an der Mittelelektrode vorzugsweise eine (n, 1,1)- Mode. Eine Schaltung zur Erzeugung derartiger Potentialbedingungen ist in Fig. 3 gezeigt. Die Schaltungsausgänge 33, und 35 sind mit den Elektroden 13, 14 bzw. 15 gekoppelt.
  • Fig. 4 zeigt eine alternative Schaltung zur vorzugsweisen Erregung einer (n, 2,1)-Mode oder einer (n, 1,2)-Mode, wobei die spezielle Mode durch die Kristallausrichtung bestimmt ist. Diese Schaltung legt identische Potentiale über Ausgänge 43 und 45 an die Elektroden 13 und 15 an und legt weitere Potentiale über den Ausgang 44 an die Elektrode 14 an.
  • Die Schaltungen nach den Fig. 3 und 4 können gleichzeitig verwendet werden, weil jede lediglich eine unbedeutende Auswirkung auf die andere hat.
  • Es ist klar, daß ein weiter Bereich von harmonischen Moden zur Verfügung steht, wobei diese Moden in gewisser Weise analog zu den verschiedenen Schwingungsmoden einer ebenen Platte sind. Das System der Klassifizierung dieser Moden wird nachfolgend definiert.
  • Jede Mode ist durch eine dreistellige Charakteristik der Form (n, a, b) definiert, worin:
  • n die Oberschwingungsnummer ist, d. h. die Anzahl der Knoten entlang der Richtung k nach Fig. 1,
  • a die Anzahl der Schwingungsbäuche entlang der Richtung j nach Fig. 1 ist, und
  • b die Anzahl der Schwingungsbäuche in einer Richtung senkrecht zu der der Richtungen j und k ist, d. h. in der Richtung i nach Fig. 1.
  • Typischerweise verwenden wir eine (n, 1,1)-Oberschwingung zusammen mit irgendeiner der (n, 2,1)-, der (n, 1,2)- oder der (n, 2,2)-Oberschwingungen. Der Wert von n ist eine ganze Zahl unter Einschluß von 1. Typischerweise verwenden wir dritte Oberschwingungen oder Schwingungen, für die n = 3 ist.
  • Die Fig. 5 und 6 zeigen die räumliche Verteilung der Amplituden der nichtharmonischen Schwingungsmoden für ein Kristallelement mit vier Dioptrien. Die Kurven zeigen die räumliche Verteilung der nichtharmonischen Schwingungen gegenüber dem Abstand von dem Kristallmittelpunkt entlang der vorstehend definierten i- und j-Richtungen.
  • Fig. 5 zeigt die Amplitude oder Intensitätsverteilung für einen Satz von Grund- oder ersten harmonischen Schwingungen, für die n = 1 ist. Zu Vergleichszwecken zeigt Fig. 5 eine Anordnung, bei der nicht alle Modenenergien innerhalb eines Kreises mit einem Radius von 5 mm eingefangen sind. Es wird bevorzugt, eine Anordnung zu verwenden, bei der im wesentlichen die gesamte Modenenergie begrenzt ist, so daß eine Störung des Temperatur-/Frequenzganges der Moden vermieden wird. Unter diesen Umständen kann eine steilere Kristallkontur verwendet werden, um eine Modenaufspreizung zu verringern.
  • Fig. 6 zeigt die Amplituden- oder Intensitätsverteilung eines entsprechenden Satzes von Schwingungen der dritten harmonischen (n = 3). Wie dies aus Fig. 6 zu erkennen ist, nimmt die Intensität der dritten harmonischen Moden sehr schnell auf Null ab, so daß im wesentlichen die gesamte Energie in einem Kreis mit einem Radius von 5 mm eingefangen ist.
  • Der richtige Wert (oder die Werte) von n, die für irgendein spezielles Kristallelement ausgewählt werden können, können entsprechend der Kristallkonstruktion bestimmt werden. Wenn beispielsweise der Kristall eine steile Kontur hat, so daß die Grundschwingung beispielsweise in einem Kreis von 5 mm eingefangen ist, so besteht die Möglichkeit einer Kopplung zwischen der Schwingung mit der dritten Harmonischen und den Biegeschwingungsmoden des Kristalls. Unter diesen Umständen würde es sinnvoll sein, Schwingungsmoden auszuwählen, für die n = 1 ist. Wenn andererseits der Kristall eine flache Kontur mit einer entsprechenden Aufspreizung der Grundschwingungen hat, so würde es besser sein, Moden höherer Ordnung auszuwählen, beispielsweise solche, für die n = 3 ist.
  • Es ist damit zu erkennen, daß für eine bestimmte Kristallkonstruktion es möglich ist, zwei nichtharmonische Schwingungen der gleichen Modenordnung auszuwählen, die eine ähnliche, jedoch nicht identische Frequenz haben.
  • In Fig. 7 ist ein Schaltbild eines Frequenzsynthesizers gezeigt, der einen temperaturgesteuerten Kristalloszillator beinhaltet. Es ist zu erkennen, daß diese Schaltung lediglich als Beispiel beschrieben wurde und nicht für die speziellen Kristallkonstruktionen ausgelegt ist, die vorstehend beschrieben wurden.
  • Der Synthesizer schließt einen piezoelektrischen Bezugs- Resonator 51 ein, der von zugehörigen Oszillatorschaltungen 52 angesteuert wird und dessen einer Ausgang Frequenzteilerschaltungen 53 zugeführt wird, deren Ausgänge über einen Mischer 54 gemischt werden. Eine Steuerschaltung 55 bestimmt die speziellen geteilten Frequenzen, die zu irgendeinem Zeitpunkt gemischt werden sollen, entsprechend einem gespeicherten Divisionsalgorithmus, um auf diese Weise die gewünschte synthetisierte Ausgangsfrequenz zu schaffen.
  • Der Ausgang des Synthesizers ist mit einer Temperaturkompensation in der folgenden Weise versehen. Den beiden nichtharmonischen Schwingungen entsprechende Signale werden jeweiligen ersten und zweiten Verstärkern 56, 57 zugeführt, deren Ausgänge mit einer Mischerschaltung 58 gekoppelt sind. Der Mischer kombiniert die beiden verstärkten Signale, um eine Überlagerungsfrequenz entsprechend der Frequenzdifferenz zwischen den beiden nichtharmonischen Schwingungen zu gewinnen. Wenn die Frequenzdifferenz zwischen den nichtharmonischen Schwingungen relativ klein ist, so ist diese Überlagerungsfrequenz relativ niedrig.
  • Der Ausgang des Mischers wird über ein Tiefpaßfilter 59, das die Hochfrequenzsumme der nichtharmonischen Schwingungen beseitigt, einer Frequenzmeßschaltung 60 zugeführt. Es sei bemerkt, daß eine der ursprünglichen Frequenzen als den Bezugswert für den Frequenzmesser verwendet werden kann. Die Schaltung 60 ergibt ein frequenz- und damit temperaturabhängiges Signal an die Steuerschaltung 55, die in Abhängigkeit von diesem Eingang den Divisionsalgorithmus einstellt, um Änderungen der Oszillatorfrequenz zu kompensieren, so daß die synthetisierte Ausgangsfrequenz auf einem konstanten Wert gehalten wird.
  • Es ist verständlich, daß bei anderen Anwendungen das der Temperatur entsprechende Frequenzdifferenzsignal in einem Rückführungssignal verwendet werden kann, um den Resonator auf einer konstanten Temperatur und damit auf einer konstanten Frequenz zu halten. Alternativ kann die Anordnung als ein Thermometer verwendet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Kristallresonators, der einen linsenförmigen Quarzkörper umfaßt, wobei das Verfahren die Schaffung einer Vielzahl von Elektroden auf den Körper, die Erzeugung von harmonischen Schwingungen über die Elektroden, und das Vergleichen der Frequenzen der Harmoischen umfaßt, um auf diese Weise ein Signal abzuleiten, das die Resonator-Temperatur anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Harmonischen als jeweils eine von jeweiligen ersten und zweiten C-Moden-Grundschwingungen erzeugt werden und zueinander in nichtharmonischer Beziehung stehen, von ähnlicher Frequenz sind und die gleiche Oberschwingungs-Ordnung haben, daß jede der harmonischen Schwingungen eine Schermoden-Schwingung ist, die als eine (n, a, b)-Schwingung gekennzeichnet ist, worin n die Oberschwingungsnummer ist und gleich der Anzahl von Knoten entlang einer ersten Richtung ist, a die Anzahl von Schwingungsbäuchen entlang einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist und b die Anzahl von Schwingungsbäuchen entlang einer dritten Richtung senkrecht zu den ersten und zweiten Richtungen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten Harmonischen jeweils eine (n, 1,1)- oder (n, 2,1)-Oberschwingung und eine (n, 2,2)- Oberschwingung umfassen.
353. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallschnitt einen SC-, AT- oder BT-Schnitt umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten Harmonischen dritte Harmonische umfassen, für die n gleich 3 ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzdifferenz der erzeugten Harmonischen kleiner als oder gleich 2% der unteren der beiden Frequenzen ist.
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