NL8202649A - Temperatuur sensor. - Google Patents

Description

·.«· ^ f -. * ra» EHN 10.395 1 N.V. Philips' Gloeilairpenfabrieken te Eindhoven s "Temperatuur ffensor"

De uitvinding heeft betrekking cp een teirperatuur sensor met een oscillatorschakeling bevattende een kristal resonator in de vorm van een in hoofdzaak planparallel plaatje gesneden uit een kwarts kristal, waarbij de resonator in responsie op een 5 electrisch veld een trillingswijze heeft met een vrijwel lineaire frequentie-tenperatuurkarakteristiek over een geselecteerd teirperatuur gebied, en verder bevattende elektronische oscillator middelen voor het opwekken en voor het toevoeren van het electrische veld aan de resonator.

10 Een dergelijke temperatuur sensor is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift no. 4,079,280.

In het genoemde Amerikaanse octrooischrift wordt een tenperatuurmeetmethode beschreven waarbij gebruik wordt gemaakt van de voornamelijk lineaire frequentie-teirperatuurkarakteristiek in het 15 teirperatuurgebied tussen -20°C en 50°C van een kwartskristal resonator met een (yxwl) 21,93°/33,93° oriëntatie die men in een bepaalde modus (B-modus of z.g. fast shear mode) laat trillen.

De voordelen van teirperatuur meting met piëzo-eléktrische kristallen t.o.v. meting met andere een electrisch signaal 20 afgevende sensoren (weerstandssensor, thermokoppel) zijn een hoge nauwkeurigheid en de mogelijkheid van direkte digitale verwerking van de meetwaarden.

De genoemde anderssoortige temperatuursensoren'-'· hebben een analoge output. Deze output, die kan zijn een lage spanning voor 25 thermokoppels ofwel een weerstand-informatie voor bijv. Pt-weerstand-thermometers, wordt eerst in een schakeling, ook wel transmitter genoemd, omgezet in een gestandaardiseerde stroom informatie en daarna gemultiplexed en omgezet via een A/D converter in digitale informatie indien van een microprocessor voor de verdere verwerking gebruik wordt 30 gemaakt. Dit leidt ertoe dat het gebruik van deze sensoren duur is, terwijl bovendien een nadeel is dat iedere omzetter een verlies aan nauwkeurigheid met zich meebrengt. De voorkeur verdient dus een sensor die direkt digitale informatie geeft. Een nadeel van de hiervoor 3202640 HJN 10.395 2

. , 'V

genoemde bekende sensor die gebruik maakt van een kristal resonator is echter/ dat de betreffende resonator moeilijk in massafabricage reproduceerbaar te maken is daar deze eendubbel-geroteerde snede heeft. Bovendien blijkt qp kleine afstand van de hoofdresonantie 5 een sterke nevenresonatie aanwezig te zijn, hetgeen een gecompliceerd oscillatorontwsrp noodzakelijk maakt. Aan de uitvinding ligt de opgave ten grondslag een temperatuursensor met een kristalresonator met een enkelvoudig geroteerde snede te verschaffen met een vrijwel lineaire frequentie-tenperatuurkarakteristiek over een geselecteerd tenperatuur-10 gebied.

De opgave wordt opgelost doordat de temperatuur sensor van de in de aanhef beschreven soort een resonator bevat in de vorm van een kristalplaatje met een enkelvoudig over een hoek Θ rond de X-as (piëzo-electrische as) van het kristal geroteerde kristal 15 snede, waarbij Θ ligt in één van de gebieden -16°^ Θ ^-29° en +39° ^ Θ ^ +45° en dat de hoofdvlakken van het plaatje voorzien zijn van twee electroden cm het plaatje te laten trillen in een dikte afschuif modus.

Het teken van de hoek Θ is in overeenstemming met de IRE 20 standaard electrische kristallen (1949) gepubliceerd in de Proceedings van de IRE, vol. 37, pp. 1378-95, dec. 1949.

Het is gebleken dat resonatoren met een aldus gekozen enkelvoudig geroteerde kristalsnede (die een vervaardiging in grote aantallen met goede reproduceerbaarheid en tegen relatief lage 25 kosten garandeert) afhankelijk van de hoek over een bepaald deel van het tenperatuurgebied van ongeveer -25°C tot ongeveer 275°C een zeer recht tenperatuur-frequentieverloop met een voldoend grote temperatuur-coëfficient combineren. Over het tenperatuurgebied van 20 tot 80°C wordt het meest lineaire verloop gevonden , bij een hoek Θ van -26°.

30 Over het tenperatuurgebied van -20°C tot 150°C bij een hoek van -23°.

Over het tenperatuurgebied van -25°C tot 95°C bij een hoek van -28°.

Over een tenperatuurgebied van .50 tot 275°C bij hoeken van -17° en +43°.

De uitvinding betreft tevens een kristalresonator voor 35 een tenperatuur sensor als bovenbeschreven.

Een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding zal bij wijze van voorbeeld aan de hand van de tekening nader warden beschreven.

8202649 * EHN 10.395 3

Figuur 1 toont een eerste oriëntatie van een kwarts kristalresonator.

Figuur 2 toont een tweede oriëntatie van een kristal resonator.

5 Figuren 3a en 3b tonen resp. een bovenaanzicht en een dwarsdoorsnede van een van electroden voorziene kristalresonator voor toepassing in een oscillator schakeling.

Figuur 4 toont een plot van de frequentie afwijking Af van de temperatuur T voor een kristal resonator met een oriëntatie 10 volgens fig. 2.

De twee hoofdeigenschappen die kwarts tot zo'n succes hebben gemaakt, zijn de piëzo-elektricieit van het materiaal, waardoor mechanische trillingen met electrische gekoppeld kunnen worden, en de zeer geringe demping van de mechanische trillingen.

15 De piëzo-elektriciteit hangs dirékt samen met de kristalstructuur.

In fig. 1 ziet men een tekening van de gebruikelijke assen van een kwartskristal. De Z-as, de optische as, is een drievoudige as, de X-as, de piëzo-electrische as,is één van de drie equivalente tweevoudige assen. Het" is bekend dat de gevoeligheid van de resonantie-20 frequentie van een kwartskristal voor de temperatuur afhangt van de oriëntatie waarmee een kwartsplaatje uit het kristal is gesneden.

Een éénmaal gedraaide snede wordt verkregen door de snede loodrecht op de Y-as (de "Y" snede) over een hoek Θ cm de X-as te draaien.

De snede volgens de uitvinding is eenmaal gedraaid tegen de draai-25 richting van de klok in (-16°^- Θ ^ 29°: fig. 1) of eenmaal gedraaid met de draairichting van de klok nee (39°^ Θ ^45°: fig. 2).

Deze sneden blijken aanleiding te geven tot een overwegend lineaire frequentie-temperatuur karakteristiek in geselecteerde temperatuur-gebieden.

30 In fig. 3a is een kwartskristal resonator met electro den in bovenaanzicht en in fig. 3b in dwarsdoorsnede geschetst. Kwartskristal 1 heeft de vorm van een planparallel plaatje met dikte d. , De resonantie frequentie wordt in hoofdzaak door de dikte van het plaatje bepaald, maar wordt enigszinds verlaagd door de massa van 35 electroden 2 en 3. Het middengedeelte heeft dus iets andere resonantie-frequentie dan het cmgevende gedeelte. Dit verzwakt de koppeling van het middengedeelte met de houder gedeelten 4 en 5 waartusen het kristalplaatje 1 is ingeklemd: de energie wordt in het midden vast- 8202649 V ι ** EHN 10.395 4 gehouden ("energy trapping"). De kwaliteitsfactor wordt dus hoger door het electrodemateriaal. Figuren 3a en 3b zijn ter wille van de duidelijkheid niet qp schaal getekend. In werkelijkheid is de dikte d van het kristalplaatje 1 zeer gering, deze bedraagt bijv. enkele 5 tienden van een millimeter, terwijl de hoofdafmetingen 1 en b elk bijv. 10 mm bedragen.

Om er voor te zorgen dat de van twee electroden voorziene «ï op de in fig. 3a en 3b getoonde wijze ingeklemde kristal-resonator 1 een voornamelijk lineaire frequentie-temperatuurkarak-10 teristiek heeft in een geselecteerd temperatuur-gebied, heeft deze een oriëntatie zoals getoond in fig. 1 of fig. 2.

Door de getoonde wijze van inkleititiing wordt bereikt dat bij toevoering van een H.F. electrisch veld aan de electrodes 2 en 3 de resonator 1 in een z.g. dikte afschuif modus ("thickness 15 shear mode") gaat trillen.

In platte kristalplaatjes zijn er drie hoofdtrillingen. Dit zijn "diktetrillingen": akoestische staande golven over de dikte van het plaatje. Zij worden aangeduid met a, b en c, in volgorde van af nemende golf snelheid. In enkelvoudige sneden zijn de ver-20 plaatsingen in modus a longitudinaal (d.i. loodrecht op de plaat) en in b en c transversaal (afschuivingen).

Voorbeeld;

Een (hydrothermaal gegroeid) kwartskristal waar de plaatjes uit worden gezaagd wordt na het vaststellen van de kristal-25 assen in een zaagmachine opgespannen met één vrijheidsgraad in de oriëntatie. Deze wordt gecontroleerd door middel van röntgen-diffractie met een nauwkeurigheid van ca. 0,01° in Θ. In het onderhavige geval werd Θ ingesteld op 43° 00. Na het zagen worden de plaatjes gelept tot ongeveer de juiste dikte. Een kunststof vel 30 met perforaties tussen de leppannen houdt de plaatjes daarbij qp hun plaats. Een met de leppannen verbonden radio-ontvanger geeft een signaal als de gevraagde frequentie is bereikt.

In het onderhavige geval worden de plaatjes tot een dikte van 326 ^um geslepen om resonatoren te maken voor een nominale 35 frequentie van 8,85 MHz die in de grondtoon van de b-modus werken.

Het onderhavige type resonatoren werkt i.h.a. bij frequenties tussen 1 en 250 MHz. De plaatjes worden vervolgens gestapeld, in de gewenste vorm geslepen, van elkaar gescheiden en geëtst. Het etsen is nodig 8202649 EHN 10.395 5 l cm de door het leppen veroorzaakte schade te verwijderen en de oppervlakken te prepareren voor het-opdampen, van de elektroden. De elektroden zijn bijv. van zilver of goud.Als deze zijn aangebracht, wordt elk plaatje in zijn houder gemonteerd. Het geheel wordt voorzien van 5 een glascmhulling die geëvacueerd wordt, of van een metaaloirhulling die met gas wordt gevuld.

Van negen op de boven beschreven wijze vervaardigde resonatoren werd in een buisoven de frequentie-tsrperatuurkarakteris-tiek gemeten. De resonatoren werden daartoe opgenomen in een conventio-10 nele oscillatorschakeling die hier niet nader wordt beschreven.

De temperatuur werd opgenomen met een chrcmel-alumel thermokoppel.

Uit de berekende temperatuur en de gemeten frequentie werd met de kleinste kwadraten methode een best fit rechte lijn berekend die het verband tussen de frequentie en de temperatuur weergeeft. Alle 15 op deze manier verkregen rechten vertonen het in fig. 4 aangegeven verloop. De tarperatuurcoëfficiënt is gemiddeld 409 Hz/°C. m het tenperatuurgébied tusen 50°C en 275°C is de afwijking van de werkelijke frequentie-temperatuur curve van de rechte lijn minder dan 1°C.

Voor andere kristalsneden worden andere terrperatuur-20 gebieden gevonden waarin de frequentie-temperatuur karakteristiek overwegend lineair is.

Voor een snedehoek Θ van -26° is dit het terrperatuur-gebied van 20°C tot 80°C.

Voor een snedehoek Θ van -23° is dit het temperatuur-25 gebied van -20°C tot 150°C.

Voor een snedehoek van -28° is dit het temperatuur-gebied van -25°C tot 95°C.

Ten behoeve van een voldoende reproduceerbaarheid is het van belang dat als een bepaalde snedehoek gekozen is, de 30 met deze oriëntatie vervaardigde plaatjes niet meer dan 1,5' van die bepaalde hoek afwijken.

35 l· 8202649

Claims (7)

1. Temperatuur sensor met een oscillatorschakeling bevattende een kristal resonates: In de vorm van een in hoofdzaak planparallel plaatje gesneden uit een kwartskristal waarbij de resonator in responsie op een electrisch veld een trillingwijze 5 heeft met een overwegend lineaire frequentie-tenperatuurkarakteristiek over een geselecteerd tenperatuurgebied, en verder bevattende elektronische oscillatormiddelen voor het opwekken en toevoeren van het electrische veld aan de resonator, met het kenmerk, dat het plaatje een enkelvoudig over een hoek Θ rood de electrische as van 10 het kristal geroteerde kristalsnede vertoont waarbij Θ ligt in één van de gebieden -16°ί£ Θ ^ -29° en +39°·έ Θ ^ +45°en dat de hoofdvlakken van het plaatje voorzien zijn van twee electrodes am het plaatje te laten trillen in een dikte af schuifmodus.

2. Tenperatuursensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, 15 dat het tenperatuurgebied is van 20°C tot 80°C en Θ = -26°.

3. Tenperatuursensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tenperatuurgebied is van -0°C tot 150°C en Θ = -23°.

4. Tenperatuursensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tenperatuurgebied is van -25¾ tot 95°C en Θ = -28°.

5. Tenperatuursensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tenperatuurgebied is van 50°C tot 275°C en Θ = -17°.

6. Tenperatuursensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tenperatuurgebied loopt van 50°C tot 275°C en Θ = +43°.

7. Kristalresonator voor een tenperatuursensor volgens 25 één van de conclusies 1-6. 30 8202649 35