NO162534B - Sensor basert p akustiske overflateboelger. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse dreier seg generelt om sensorer for måling av krefter ved bruk av akustiske overflatebølger,

og mer spesielt om meget stabile og følsomme trykksensorer,

for bruk ved høye trykk, som benytter akustiske overflate-bølger' .

Sensorer som benytter anordninger basert på akustiske overflatebølger (heretter kalt SAW-anordninger) er kjent,

og blir benyttet for måling av akselerasjon, spenning og deformasjon samt trykk. Slike sensorer er generelt basert på forplantningen av akustiske overflatebølger over en tynn, fleksibel membran som blir deformert når den utsettes for en akselerasjon, spenning eller trykk. Forsinkelsen av den akustiske overflatebølge er en funksjon av den eksterne akselerasjon, spenning og påkjenning eller trykk, da bølgenes hastighet og veilengde varierer med membranens deformasjon. Endringer i den akustiske overflatebølges forplantningskarak-teristikk blir målt som en endring i svingningsfrekvensen av en ekstern oscillatorkrets forbundet med SAW-anordningen i en regenerativ tilbakekoblingssløyfe. US patent 3,978,731

og US patent 3,863,497 beskriver slike SAW-sensorer.

Flere måter for fremstilling av den trykkfølsomme membran for en SAW-sensor er kjent. En sensor med piezoelektriske transdusere påført med tynnfilmteknikk på en stålbjelke er beskrevet i US patent 4,107,62. En sensor med to substrater

- et SAW-substrat og et base-substrat av samme materiale og orienteringsforbundet med hverandre er beskrevet i US

patent 4,216,401. Slike sensorer har meget begrensede operasjonskarakteristikker, eller er gjenstand for avtagende virk-ningsgrad eller feilvirkning på grunn av forbindelsens begrens-ninger .

En trykkfølsom membran kan også utformes ved å bore

eller drille en sentrert kavitet i SAW-substratet, som beskrevet i US patent 4,100,811. Denne løsning unngår bruken av en sammenføyning i det følsomme området, men borede membraner av denne type er ikke lette å fremstille med ønsket tykkelse, med meget liten tykkelse eller med parallelle membranflater.

Det er dessuten dype og skarpe hjørner som bevirker spen-ningskonsentrasjoner, og begrenser slike sensorer til bruk under lave trykk.

En sylindrisk trykksensor-membran som overvinner noen

av de ovennevnte vanskeligheter er beskrevet i US patent 3,878,4 77. Endehetter er anordnet for å slippe et fluidum inn i membranens indre for å oppnå trykkmålinger. Én slik sylindrisk membran har imidlertid den ulempe at temperaturvariasjoner har en ugunstig virkning på trykkmålingene.

I alminnelighet er sensorer som benytter SAW-anordninger, inklusive den sylindriske trykksensor-membran ifølge US patent 3,878,4 77, uheldig påvirket av temperaturvariasjoner. Slike SAW-anordninger består i alminnelighet av et SAW-substrat

av et piezoelektrisk materiale så som kvarts, lithiumniobat og lithiumtantalat, eller et kompositt-behandlet substrat så som silikon med et tynnfilm-belegg av et piezoelektrisk materiale, f.eks. sinkoksyd, som i sin helhet utviser tilstrekkelig akusto-elektrisk kobling til å frembringe målbare variasjoner i de akustiske overflatebølgers forplantnings-hastighet som følge av variasjoner i overflatens deformasjon. Da^disse materialer er følsomme for deformasjons-beslektede fenomener som omfatter temperatur såvel som spenning og akselerasjon, må sensorene enten omfatte en anordning for temperaturkompensasjon, eller de må benyttes ved en gitt temperatur, eller over et smalt, begrenset temperaturområde hvis en tempera-turkompensert orientering så som et ST-kutt ((yxwl) 0°/42,75°) eller SST-kuttet ((yxwl) 0°/-49, 22°, forplantingsretning på 23° fra den diagonale akse) blir brukt.

Endel teknikker for å kompensere for temperaturvariasjoner i forskjellige typer 'sensorer er kjent. Det ovennevnte patent 4,107,626 beskriver en temperaturkompensasjonsteknikk hvor akustiske overflatebølger beveger seg i tilstøtende områder av vesentlig den samme generelle plane overflate, slik at virkningene av temperaturvariasjoner på de respektive regioner er i det vesentlige like. Når en kraft påvirker sensoren,

får man en forskjellsfrekvens ved å blande utgangssignalene av de respektive oscillatorer forbundet med regionene, hvorav den ene er under trykk og den andre under strekk. Forskjellsfrekvensen er proporsjonal med bøyningen av bjelken innenfor dennes elastitetsgrense. Det ovennevnte US patent 3,878,477 beskriver en temperatur-kompensasjonsteknikk hvor to SAW-oscillatorer, koblet til et enkelt plant substrat av piezoelektrisk materiale, endrer sine respektive frekvenser i motsatt retning som følge av en kraft som virker vinkelrett

på substratet. Den nevnte US patent 3,978,731 beskriver en temperaturkompensasjons-teknikk hvor sensorens to akustiske kanaler er tilvirket på samme substrat av en generelt plan membran, slik at temperaturforskjellen mellom dem vil bli liten. En av kanalene er primær- eller målekanal, og den andre er referansekanal. Referansekanalens trykk blir holdt konstant, slik at utgangen av målekanalen, etter blanding med utgangen av referansekanalen, er et mål for det absolutte trykk. US patent 3,886,484 beskriver en anordning hvor to forsinkelseslinjer, den ene med et rotert Y-kutt på 0=42,75°

og den andre med et rotert Y-kutt på R=35°, er seriekoblet for å frembringe et bredere temperaturområde med stabil operasjon. US patent 3,999,147 beskriver en SAW-anordning utstyrt med reflektive gittere kombinert med et materiale slik at temperaturkompensasjonen for forsinkelse i forskjellige retninger har motsatt fortegn (pluss eller minus). Den akustiske bølge blir forplantet langs passende veilengder for å frembringe en linjær null-temperaturkoeffisient for forsinkelsen.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe en sensor-membran egnet for måling av trykk og beslektede fenomener, som overvinner endel av de ulemper som er nevnt ovenfor.

Dette og andre formål oppnås ved tilveiebringelse av en trykkføler av den type som defineres nøyaktig i de etterfølgende patentkravene.

Ifølge ett aspekt ved oppfinnelsen omfatter trykkføler-apparatet som er basert på akustiske overflatebølger, en krystallinsk membranseksjon bestående av en sylindrisk eller sfærisk ytre overflate og en sylindrisk eller sfærisk indre overflate, hvor en av de nevnte ytre og indre overflater er innrettet til å utsettes for et trykk; og den andre av de nevnte ytre og indre overflater omfatter et område som har en utvalgt orientering og er innrettet for tilvirkning av en SAW-anordning, og et annet område som har i det vesentlige samme orientering som det første området og er innrettet for tilvirkning av en SAW-anordning. En første del av membranseksjonen mellom overflaten innrettet for å utsettes for trykk og det førstnevnte område har en første forutbestemt tykkelse. En annen del av membranseksjonen mellom den nevnte overflate innrettet for å utsettes for trykk og det nevnte annet område har en annen forutbestemt tykkelse, forskjellig fra den første forutbestemte tykkelse.

Et annet aspekt omfatter en trykkføler basert

på akustiske overflatebølger, omfattende en krystallinsk membranseksjon med en sylindrisk eller sfærisk ytre overflate og en sylindrisk eller sfærisk indre overflate, hvor den ytre overflate er innrettet til å utsettes for en isotropisk kraft, og den indre overflate har et område av et utvalgt krystallgitter-arrangement og er innrettet for tilvirkning av en SAW-anordning.

Andre formål, trekk og karakteristikker ved oppfinnelsen vil vise seg ved gjennomgåelse av detaljforklaringen og de vedheftede krav og tegninger.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor lik henvisning betyr samme del, og hvor: Fig. 1 er et perspektivriss av en innvendig belastet trykksensormembran; Figurene 2 og 3 er tverrsnitt av den innvendig belastede membran på fig. 1, tatt henholdsvis langs membranens akse og i et plan i rett vinkel med aksen; Figurene 4 og 5 viser tverrsnitt av en utvendig belastet trykksensor-membran, tatt henholdsvis langs membranens akse og i et plan i rett vinkel med aksen; Fig. 6 er et skjematisk diagram av en elektrisk krets, egnet til å oppnå trykkmålinger fra sensormembranen vist på figurene 1-3 og 4-5. Fig. 7 viser ét perspektiv av en innvendig belastet trykksensor-membran, primært beregnet på selvkompensering av temperaturforskjeller; Figurene 8 og 9 viser tverrsnitt av den innvendig belastede trykksensor-membran på fig. 7, tatt henholdsvis langs membranens akse og i et plan i rett vinkel med aksen; Figurene 10 og 11 viser tverrsnitt av et hus og av den innvendig belastede trykksensor-membran på fig. 7 montert i huset, tatt henholdsvis langs membranens akse og i et plan i rett vinkel med aksen; Figurene 12 og 13 viser tverrsnitt av en utvendig belastet trykksensor-membran, primært for selvkompensering av temperaturvariasjoner, tatt henholdsvis langs membranens akse og i et plan i rett vinkel med aksen; Figurene 14 og 15 viser tverrsnitt av et hus og av den utvendig belastede trykksensor-membran på fig. 12 og 13 montert i huset, tatt henholdsvis langs membranens akse og i et plan i rett vinkel med aksen; Fig. 16 er et skjematisk diagram av en elektrisk krets egnet til å oppnå trykkmålinger fra trykksensor-membranen vist på figurene 7-11 og 12-15; Fig. 17 viser i perspektiv et rått kvartskrystall, og illustrerer uttak av en kvarts-sylinder med en gitt orientering; Fig. 18 er et skjematisk diagram som illustrerer plasseringen av flater med utvalgt krystallografisk orientering i kvartssylinderen på fig. 17; Figurene 19 og 20 viser tverrsnitt av en annen utførelse av en utvendig belastet trykksensor-membran, primært for selvkompensering av temperaturvariasjoner, tatt henholdsvis langs membranens akse og i et plan i rett vinkel med aksen; Figurene 21, 22 og 23 viser tverrsnitt av forskjellige andre utførelser av innvendig belastede trykksensor-membraner, primært for selvkompensering av temperaturvariasjoner, tatt i et plan i rett vinkel med membranens akse;

Fig. 24 viser grafisk en illustrasjon av flf/fATsom

en funksjon av temperaturen for ST-X og SST-orienteringene,

i ukompenserte og selvkompenserte utførelser, for å forklare en avveinings-type av temperaturkompensasjon;

Figurene 26 og 27 viser tverrsnitt av en innvendig belastet trykksensor-membran, primært for en rnål-korrigerende type av temperaturkompensasjon, tatt henholdsvis langs membranens akse og i et plan i rett vinkel med aksen; Fig. 28 viser en forstørrelse av en flate, representativ av de flater som blir frembragt ved utførelsene vist på figurene 26-27 og 29-30; Fig. 32 viser i perspektiv en utvendig belastet membran; og Fig. 33 viser et tverrsnitt av den utvendig belastede trykksensor-membran på fig. 32, tatt langs en diameter av membranen.

Alminnelige vurderingen angående sensormembraner ifølge foreliggende oppfinnelse skal diskuteres under henvisning til den innvendig belastede utførelse på figurene 1-3 og til den utvendig belastede utførelse på figurene 4-5.

De hittil ukjente membraner ifølge foreliggende oppfinnelse, både utvendig og innvendig belastede, er spesielt velegnet for føling! av trykk, og kan bli innrettet for føling av beslektede fenomener som kraft og akselerasjon. De hittil ukjente sensormembraner ifølge foreliggende oppfinnelse bør virke til å føle f..eks. trykk over et område på fra 0 - 600 kg/cm<2> og i noen utførelser så høyt som 2000 kg/cm<2> eller mer, over et temperaturområde på fra 0 til 100°C og i noen utførelser så høyt som 275°C eller mer med en oppløsning på 7 X IO-<4> kg/cm<2> eller bedre, en presisjon på 0,025% av full skala eller bedre, responstid i størrelsesorden 10 sek. eller bedre, kort-tids frekvensstabilitet i størrelsesorden £f/f = 10-]-0 over en l-s"ek. port-tid eller bedre, og god aldrings-karakteristikk m.h.t. langtids-frekvensstabilitet i størrelses-orden 4f/f=10~6/år eller bedre. Operasjonsprinsipper og egnede trykkhus er beskrevet.

I den innvendig belastede utførelse på fig. 1-3 er den sylindriske del 1, fortrinnsvis av kvarts, utstyrt med to langsgående flater 2a og 2b frest inn i den ytre overflate av sylinderen 1, fortrinnsvis, men ikke nødvendigsvis rett overfor hverandre slik at flatene 2a og 2b ligger i parallelle plan. Hver flate 2a og 2b er frest til en dybde rj_.

Bare én flate er nødvendig, men bruk av to like og motsatte flater gir mekanisk symmetri og andre fordeler, som forklart nedenfor. En utboring 4 er utført i sylinderen 1, og aksen av utboringen 4 faller sammen med aksen av sylinderen 1."

De forskjellige strukturelle trekk ved membranen på figurene

1-3 og ved de øvrige innvendig belastede utførelser kan,

hvis ikke anderledes spesifisert, dimensjoneres som følger.

Dimensjonene, som er en funksjon av materialtypen, typen av SAW-anordningen som benyttes i strukturen, forplantningsretningen for de akustiske overflatebølger som bestemmer plasseringen av SAW-anordningen og spesifikasjonen for trykksensoren, kan optimaliseres for spesielle anvendelser. Sylinderen 1 kan ha en diameter "D" på 26 mm og en lengde "L"

på 35 mm. Hver flate 2a og 2b kan ha en bredde på 14 mm og en lengde på 21 mm. Utboringen 4 kan ha en diameter på 10 mm. Eresedybden ri kan være 2 mm. Plasseringen av utboringen 4 og fresedybden r^ for hver flate bestemmer tykkelsen

ti, som kan være 6 mm.

De dimensjoner som er gitt ovenfor og andre steder i denne spesifikasjon for innvendig og utvendig belastede ut-førelser viser illustrerende dimensjons-kombinasjoner som passer for høytrykks-membraner. Valget av dimensjoner er et kompromiss mellom slike ønsker som å redusere strukturens termiske masse samtidig som man opprettholder forholdsvis stort overflateareal pr. masse-enhet, f.eks. for rask ut-jevning av temperaturgradienter, å oppnå strukturell styrke for høytrykksoperasjon, og å imøtekomme kravene til fremstilling og virkning for de SAW-anordninger som skal benyttes. I

de illustrerende dimensjoner gitt ovenfor for den innvendig belastede utførelse var, f.eks., en første flate på 14 x 21 mm valgt for å minimalisere membranens fysiske masse og samtidig å gi tilstrekkelig styrke. Det flate-areal som kreves av selve SAW-anordningen er imidlertid så lite som 2 x 10 mm eller mindre, avhengig av operasjonsfrekvensen.

Membranene ifølge denne og de øvrige utførelser beskrevet her, både innvendig og utvendig belastede, er fortrinnsvis tilvirket fra ett stykke av elastisk, piezoelektrisk materiale. Kvarts er karakterisert som ett av de materialer som har de laveste akustiske tap, noe som er nødvendig for god kort- og middeltids stabilitet for en krystallstyrt oscillator. Om en definerer en akustisk kvalitetsfaktor Q som et forhold A mellom energitapet pr. volumenhet pr. periode og den elastiske energi lagret pr. volumenhet pr. periode, kan Q for kvarts uttrykkes som: Q~^ = A/21T ved en gitt temperatur og frekvens. Dette betyr at de akustiske tap er omvendt proporsjonale

med forplantningshastigheten for de akustiske bølger. Pro-duktet av Q og frekvens (i Hertz) er tilnærmet lik lO<1>^ for overflatebølger i kvarts. Et kvartsmateriale av høy renhets-grad og av ypperste kvalitet (fortrinnsvis premium eller optisk grad kvarts) bør velges. Andre egnede piezoelektriske materialer omfatter Lithium-Niobat, Lithium-Tantalat og kompo-sittbehandlede substrater så som silikon med en passende tynn film av piezoelektrisk materiale, f.eks. sinkoksyd.

I den sylindriske utførelse er den dominante spenning ring-spenningen, som er meget større enn aksialspenningen.

De strukturelle trekk og valgte dimensjoner av forskjellige membran-utførelser beskrevet her bør tilveiebringe en sensor med meget høy Q i størrelsesorden 40.000 ved 200

MHz målt i vakuum. Seksjonene av sylinderen 1 nær flatene

2a og 2b blir f.eks. primært påvirket ved innføring av et fluidum i utboringen 4, og deformeres elastisk som følge av den kraft som utøves av fluidet. Disse seksjoner er vel isolert fra membranens ender, noe som bevirker en effektiv kobling av kraften og av sensorens høye Q. Den elastiske deformasjon av disse seksjoner blir detektert som en endring i frekvensen av en tilhrøende oscillatorkrets, som forklart nedenfor.

SAW-anordninger med ønskede operasjonskarakteristikker blir fortrinnsvis fremstilt med freste flater, men andre overflatekonturer er også mulige. Både SAW-anordningen og forplantningsveien kart f.eks. forbundet med en buet overflate; SAW-anordningen kan være fremstilt over en flat overflate med en del av forplantingsveien over en buet overflate, eller SAW-anordningen kan være fremstilt over en buet overflate med en del av forplantningsveien over en flat overflate. Videre kan SAW-anordningen ligge på en flate som ser ut som

en sekant når man ser membranen i snitt, eller den kan være i en kantet eller buelinjet kanal eller i et passende spor i membranen. De skarpe områder i flatene, kanalen eller sporet kan glattes ut i den grad det er ønskelig for å unngå konsentrerte spenninger som ellers kunne oppstå.

Operasjonskarakteristikkene, som omfatter f.eks. tempera-turfølsomhet Af/fAT og trykkfølsomhet Af/fAP avhenger av orienteringen av det substrat i hvilket de akustiske overflate-bølger forplanter seg og av forplantningsretningen (heretter målt i forhold til den digonale akse i enkeltroterte orienteringer) av den akustiske overflatebølge. Responsen av en SAW-anordning med en spesiell orientering kan i alminnelighet representeres ved en to-dimensjonal polynom i temperatur og trykk som følger:

Orienteringen av et substrat kan spesifiseres i henhold til standarder adoptert av "The Institute of Radio Engineers", som nå heter "the Institute og Electrical and Electronic

Engineers" eller "IEEE", som finnes i "Standards on Piezoelectric Crystals, 1949: Standard 49 IRE 14.Sl", Proceedings of the

IRE Dec 1949 pp 1378-90, og som er inkludert her ved henvisning. Både enkeltroterte og dobbeltroterte kutt er her henvist

til ved betegnelsen (yxwl)(D/0. Kvarts hører til det trigonale krystallsystem, internasjonal punkt-gruppe 32, klasse D3 (Schoenflies Symbol) og utviser digonal (2Tr/2-fold) symmetri og trigonal (3TT/2-fold) symmetri omkring henholdsvis X-aksen og Z-aksen. Dette betyr at orienteringer med (D = n(,120°)

t <D0 (for n---0,l,2) og ø = G0+ m(180°) (hvor m= 0,1) er eksakt ekvivalente på grunn av krystallsymmetrien.

For å oppnå enkeltroterte orienteringer ved flatene

må sylinderen 1 bores fra et stykke kvarts slik at sylinderens lengdeakse og kvarts-stykkets X-akse er parallelle. Hvis dette er tilfelle skal flaten 2a freses til en dybde r^ i et plan i rett vinkel med en linje som er adskilt fra Y-aksen ved den valgte rotasjonsvinkel, og flaten 2b skal freses til en dybde rj i et plan i rett vinkel med en linje som er adskilt fra Y-aksen ved den valgte rotasjonsvinkel +180 grader. Da flatene 2a og 2b ligger 180 grader fra hverandre vil deres orientering bli lik (innenfor den mekaniske presisjon av bore- og freseprosessene) på grunn av kvartsens digonale symmetri.

Når flatene 2a og 2b er frest, må de maskinerte overflater prepareres for fremstilling av SAW-anordningene. Behørig omtanke må gis til overflatepreparasjen og optisk polering for å minimalisere utvikling av egenspenninger i overflaten og utforming av mikrosprekker i den freste overflate når strukturen utsettes for belastning. Slike egenspenninger i overflater blir forårsaket av ujevnheter i den maskinerte overflate, og påvirker frekvenskarakteristikken av en SAW-oscillator over lengre tid. Denne påvirkning kan redusere trykksensorens nøyaktighet og stabilitet. Passende over-flatebehandling og polering er velkjent teknikk.

Teknikken for fremstilling av SAW-forsinkelseslinjer

eller resonatorer på flater er kjent, og skal derfor gis bare en ganske kort forklaring. SAW-forsinkelseslinjer og

-resonatorer er spesielt fordelaktige for bruk i trykksensorer ifølge foreliggende oppfinnelse. En akustisk overflatebølge kan bringes til å forplante seg på en glatt overflate av

et krystallinsk fast materiale. Energi-innholdet i en slik akustisk overflatebølge dempes eksponensielt med dybden av vertsmaterialet, og størstedelen av bølgeenergien blir kon-sentrert innen 1 bølgelengde fra overflaten. Den akustiske overflatebølge vil derfor forplante seg i det vesentlige uavhengig av de forhold den motsatte side av vertsmaterialet blir utsatt for. Dessuten blir SAW-forsinkelseslinjer og resonatorer med en Q-verdi på over 100 ganger verdien for en ekvivalent elektrisk krets med fordel anvendt som tilbake-koblingselementer i krystallstyrte oscillatorer. Den smale båndbredde som karakteriserer SAW-forsinkelseslinjer og resonatorer gjør det dessuten mulig å oppnå en mer presis resonans-frekvens.

En SAW-forsinkelseslinje omfatter et system av inngangs-elektroder og et system av utgangselektroder lagt på overflaten av et piezoelektrisk substrat. Elektrodesystemet har form av et linjesystem som sender energi i enderetningen langs substratets overflate. I trykksensormembran-utførelsen på figurene 1-3 er det f.eks. en overflate-forsinkelseslinje som omfatter fingertransdusere 6a (sender) og 8a (mottager), fremstilt på flate 2a ved hjelp av f.eks. standard foto-litografi og tynnfilmteknikk. I de tilfeller da indusert egen-støy begrenser SAW-anordningens korttids- og langtids-stabilitet i uakseptabel grad, kan stabiliteten forbedres ved å forsenke elektrodestrukturen, i dette tilfelle fingertransduserne 6a og 8a, som vist i US patent 4,270,105, og som er inkludert her ved henvisning til dette. På lignende måte er en annen SAW-forsinkelseslinje, omfattende fingertransduserne 6b (sender) og 8b (mottager) fremstilt på flaten 2b. Fingrene på hver transduser er adskilt med en halv bølge-lengde, og bølgelengden er valgt med hensyn til forplantningshastigheten på den valgte orientering av det piezoelektriske materiale, slik at den genererte bølge får en forutbestemt frekvens. Amplituder og båndbredder av den genererte bølge bestemmes av antallet fingerpar benyttet i systemet, da bånd-bredden er omvendt proporsjonal med antallet fingre. Forplantningsretningen i substratet er rettvinklet med fingrene i fingertransduseren. Effektvinkelen, som er definert som vinkelen mellom energi-strømretningen og bølgevektoren er null for ren-modus-retninger slik som i ST-X og SST-kuttene

av kvarts .

SAE-resonatorer kan med fordel erstatte SAW-forsinkelseslinjer under visse forhold. SAW-resonatorer anvender ion-feste spor eller reflekterende striper til å utforme en reso-nans-kavitet med et elektrodesystem i sentrum. Konstruksjon, fremstilling og praktiske vurderinger i forbindelse med SAW-forsinkelseslinjer og resonatorer er mer fullstendig beskrevet i de følgende artikler:

M.F. Lewis, "Surface Accoustic Wave Devices and Applications, section 6: Oscillators - the next successful Surface Accoustic Wave Device", Ultrasonics, May 1974, pp 115-23; og D.T. Bell Jr. & R.CM. Li, "Surface Accoustic Wave Resonators", Proceedings of the IEEE, Vol. 64 No5, May 1976, pp 711-21

som er inkludert her ved henvisning.

Trykksensormembran-utførelsen på figurene 1-3 er montert

i et egnet trykk-hus og koblet til egnede elektriske kretser. Trykkhuset er beskrevet nedenfor i sammenheng med en annen innvendig belastet utførelse. Et eksempel på en elektronisk krets er vist skjematisk på fig. 6. To målekanaler er vist. Den ene omfatter oscillatoren 203b og tellerkretsen 208a,

og den andre omfatter oscillatoren 203b og tellerkretsen 208b. Oscillatorene 203a og 203b er koblet til en membran 200, som f.eks. tilsvarer membranutførelsen på figurene 1-3. Oscillatoren 203a omfatter SAW-anordningen 202a (som f.eks. tilsvarer SAW-forsinkelseslinje bestående av flate 2a, sender 6a og mottager 8a), bredbåndforsterkeren 204a, og tilpasningsnettverkene 206a og 213a forbundet i et tilbakekoblingssystem. Oscillatoren 203b omfatter SAW-anordningen 202b (som f.eks. tilsvarer en SAW-forsinkelseslinje bestående av flaten 2b, senderen 6b og mottageren 8b), bredbåndsforsterkeren 204b og tilpasningsnettverkene 206b og 213b forbundet i et tilbakekoblingssystem .

Konstruksjon av SAW-oscillatorer er kjent, og skal derfor beskrives ganske kort. En komponent i en SAW- oscillator SAW-linjen og SAW-resonatoren som ligger i tilbakekoblings-sløyfen i en bredbåndforsterker. Enhver endring i overflate-bølgens hastighet genererer en tilsvarende nøyaktig målbar endring i oscillatorens frekvens. En velkonstruert SAW-oscillator vil ha de følgende karakteristikker: (1) Sløyfe-forsterkningen overstiger nettotapene, (2) Svingningsfrekvensen må ligge i fingertransdusernes passbånd, og (3) det totale faseskift rundt sløyfen må være et helt-tall multiplum av 2iT. Det tredje krav kan uttrykkes som

hvor f er SAW-oscilla orens senterfrekvens,

V er overflatebølgens hastighet i forhold til en referanse-ramme, 1 er den effektive veilengde i referanserammen,

CDa er faseskiftet i forsterkeren, tilpasningsnettverket og fingertransduserne, og

n er et helt tall. Faseskfitet (Da er vanligvis ubetydelig sammenlignet med faseskiftet over en veilengde "2" på hundre-vis av bølgelengder i en typisk SAW-forsinkelseslinje. En liten endring i den "naturlige" hastighet er ekvivalent med en liten endring i oscillatorfrekvensen, dvs.

Som omtalt i Sinha & Tiersten, "On the temperature dependence

of the velocity of surface waves in quartz", J. Appl. Phys. 51(9), Sept. 1980, pp 4659-65, som er inkludert her ved henvisning .

Frekvens-stabiliteten av en SAW-oscillator, som er en

viktig karakteristikk for nøyaktige trykkmålinger, blir vanligvis uttrykt i tre regioner: Kort-tid, som betyr stabilitet over en periode på noen sekunder; Middeltid, som betyr stabilitet over en periode på noen timer, og langtid, som betyr stabilitet over en periode på flere måneder eller år. Kort- og middeltids-stabilitet (FM-støy) definerer delvis oscillatorens oppløsning og presisjon, og forskjellige forholdsregler kan treffes for å minimalisere slik støy. Disse forholdsregler omfatter valg av en forsterker med lav støy og lav forsterkning, og SAW-anordninger med lave tap (insertion loss) og en steil fase/frekvens-kurve (group delay). Enten en SAW-forsinkelseslinje eller en SAW-resonator kan velges for oscillatoren, avhengig av den ønskede anvendelse. Forsinkelseslinje-strukturer er i seg selv bredbånd-anordninger, og blir foretrukket når avstembarhet og linjæritet er viktig, mens resonator-strukturer

er overlegne når det gjelder støy-virkningsgrad for smalbånds-anvendelse. Frekvens-stabilitet på minst IO-<!*> for 1-sekunds porttid har vært oppnådd med SAW-oscillatorer. Dette er tilstrekkelig til å oppnå den oppløsning og det dynamiske område som ønskes for presisjonsmåling av trykk.

Forskjellige teknikker for avstemning av SAW-anordninger er kjent, f.eks. som vist i US patent 4,234,396, og som inkluderes her ved henvisning.

Utgangssignalene fa av oscillatoren 203a og fD av. oscillatoren 203b blir levert til de respektive tellerkretser 208a og 208b som teller frekvensen av sine inngangssignaler og frembringer en digital representasjon av disse ved utgangen, og dermed omformer de analoge utgangssignaler fra oscillatorene 203a og 203b til digitale signaler. Samplingssekvensen blir igangsatt av prosessoren 207, som signaliserer tellerkretsene 208a og 208b, over linjene 201 og 205, at de skal "sample" utgangene av henholdsvis oscillatorene 203a og 203b og sende resultatene over inngangslinjene 211 og 212. De digitale signaler som representerer fa og f^ blir levert til prosessoren 207, som bestemmer trykkmålingen, leverer resultatet til skriveren 209 for å presenteres for brukeren, og tilbakestiller tellerkretsene 208a og 208b over linjene 201 og 205 for neste målesyklus.

Prosessoren 207 realiserer enten en kurvetilpasnings-rutine eller en referansetabell- oøg interpolasjonsteknikk for å bestemme de respektive trykkmålinger fra ett av signalene fa og fD, eller fra gjennomsnittet av signalene fa og ftø. Trykket som måles av SAW-anordningen kan uttrykkes ved en to-dimensjonal polynom av formen:

som ved konstant temperatur reduseres til formen hvor fra formel (4) koeffisientene A, B, C og D svarer til henholdsvis Ei + H7<T><+> H9T<2> + .... H2 + HgT + ... + H3 + ... og HD <+> H4T + H5T2 + H5T<3> + ... Ved realisering av kurve-tilpasningsteknikken, blir det valgte signal under kalibreringsfasen målt over et område av valgte trykk ved en gitt temperatur, og de verdier man finner blir brukt til å utlede koeffisientene for formel (5). Under målefasen blir trykkmålingen beregnet fra frekvensen av det valgte signal ved anvendelse av formel (5) med de koeffisienter som ble bestemt under kalibreringsfasen. Ved realisering av referansetabell-teknikken blir det valgte signal under kalibreringsfasen målt over et område av trykk ved en gitt temperatur, og de verdier man finner blir lagret" i en tabell over trykk som funksjon av frekvens. Under målefasen blir trykkmålingene bestemt ved å konsultere tabellen, og om nødvendig interpolere. Kurvetilpasningsteknikk og referansetabell- og interpolasjonsteknikk er vel kjent i teknikken. En egnet kurvetilpasnings-teknikk er beskrevet i J.M. Mendel, Discrete Techniques of Parameter Estimation, Marcel Dekker Inc., New York 1973,

Ch 2, og er inkludert her ved referanse. En egnet interpolasjonsteknikk er beskrevet i K.S. Kunz, Numerical Analysis,

Mc. Graw-Kill Book Company, Inc., New York, 1957, Ch 5 og

er inkludert her ved henvisning til denne.

Verdiene av fa og f^ kan bli overvåket og sammenlignet

med hverandre ved prosessoren 207 for å detektere avvik over en gitt toleranse, noe som ville tyde på ujevn temperaturtor-deling i membranen, eller feil i minst én av oscillatorene.

En utvendig belastet membran er vist på figurene 4-5.

En sylindrisk del 10 med lengde LD, fortrinnsvis av kvarts,

er delt opp i to seksjoner 11 og 13 langs kuttet 15, slik at man bevarer kontinuiteten av gitteret over kuttet. Kuttet 15 skal fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis, utføres slik at det optimaliserer membranens mekaniske symmetri. De respektive deler av et sylindrisk rom 14 er skapt ved å frese seksjonene 11 og 13, og to langsgående flater 12a og 12b er frest inn i den innvendige overflate av sylinderen 10,

i avstand fra kuttet 15, for å skape motsatte, parallelle overflater, som beskrevet ovenfor i forbindelse med den innvendig belastede utførelse. Flatene 12a og 12b er frest til en dybde r]_, og frembringer således deler av membranen

med tykkelse t]_. Aksen av det innvendige rom 14 faller sammen med aksen av sylinderen 10. De forskjellige strukturelle trekk ved membranen på fig. 4-5 og ved de øvrige utvendig belastede utførelser beskrevet her kan, om ikke anderledes spesifisert, dimensjoneres som følger.

Dimensjonene, som er en funksjon av materialtypen, typen av SAW-anordning som benyttes i strukturen, forplantningsretningen av den overflatebølge-energi som bestemmer plasseringen av SAW-anordningene og spesifikasjonene for trykksensoren,

kan imidlertid bli optimalisert for spesielle anvendelser: Sylinderen 10 kan ha en diameter "D" på 26 mm og en lengde

"L0" på 50 mm. Rommet 14 kan ha en diameter på 10 mm og en lengde Lj på 35 mm. Hver flate 12a og 12b kan ha en bredde på 5 mm og en lengde på 12 mm. Fresedybden r^ kan være 3 mm. Plasseringen av utboringen 14 og fresedybden r^ for hver flate etablerer tykkelsen t]_, som kan være 5 mm.

SAW-anordninger på membranen er fremstilt på flatene

12a og 12b, eller direkte på den innvendige, buede overflate, eller i henhold til andre egnede konstruksjoner som beskrevet ovenfor. Membranen er montert i et passende trykkfast hus som beskrevet nedenfor, og koblet til den elektriske kretsen vist på fig. 6, hvor SAW-anordningen 202a tilsvarer flaten 12a, senderen 16a og mottageren 18a, mens SAW-anordningen 202b tilsvarer flaten 12b, senderen 16b og mottageren 18b. Prosessoren 207 virker på lignende måte.

Den ytre utforming av membranen er valgt for å motstå

høyt trykk med et minimum av mekanisk masse. Sylindriske strukturer er overlegne i forhold til andre fasonger i dette henseende, men membraner ifølge denne oppfinnelse er ikke begrenset til en sylindrisk utforming. Andre passende ut-forminger av utvendig og/eller innvendige overflater omfatter f.eks. elliptiske og parabolske.

Selv om den forutgående beskrivelse gjelder sylindriske membraner, omfatter foreliggende oppfinnelse også innvendig og utvendig belastede sfæriske membraner. En illustrerende sfærisk membran er vist på figurene 32 og 33. Denne illustrerende utførelse er utvendig belastet. En sfærisk del 500 med diameter "D0", fortrinnsvis av kvarts, er skåret i to seksjoner 501 og 503 langs et kutt 505 slik at man beholder kontinuiteten av gitteret over kuttet. Innvendig sfærisk rom 504 med diameter Dj, og respektive flater 502a og 502b er frest inn i seksjonene 501 og 503, for dermed å frembringe respektive deler civ membranen med tykkelse t]_. SAW-anordninger 508a og 508b er fremstilt på flatene henholdsvis 502a og 502b.

Forklaringene i denne spesifikasjon angående sylindriske membraner er generelt relevant til de sfæriske membraner,

men de dominante spenninger som forekommer i sfæriske membraner er de ortogonale ringspenninger, som er av lignende størrelse. For eksempel kan diameteren D0 være 26 mm og Dj 10 mm. Flatene 502a og 502b kan være frest til en dybde r^ på 2 mm, og dermed etablere tykkelsen t^ på 5 mm. Alternativt, som diskutert ovenfor for den sylindriske membran, kan flatene freses til forskjellige tykkelser, eller forskjellige veggtykkelser kan bli skapt ved å plassere sentrum av den indre sfæriske overflate adskilt fra sentrum av den ytre sfæriske overflate.

Figurene 7-23 er rettet mot utførelser av trykksensor-membraner med selvkompensering av temperaturvariasjoner. Trykk-responsen for slike trykksensor-membraner er en funksjon av forskjellen mellom de respektive frekvenser av to eller flere oscillatorer med like frekvens/temperaturkarakteristik-ker, men med frekvens/trykk-karakteristikker som er funksjoner av de forskjellige tykkelser av membran-substratene. Alle substrater blir utsatt for det samme hydrostatiske trykk,

men fluidets trykk bevirker forskjellig elastisk deformasjon av de forskjellige substrater. Temperaturen påvirker alle substrater likt, betinget av at membranen er fleksibelt montert. Utgangene av de respektive oscillatorer blir således blandet for å eliminere temperatureffekten. Den elastiske stivhet av en selvkompenserende membran er sterkt avhengig av tykkelsen, slik at forskjellen i substratenes tykkelse bare trenger å være ganske liten. I tillegg til å avstedkomme temperaturkompensasjon er denne teknikk fordelaktig idet den eliminerer effekten av langtids-aldring på trykkmålingene, forutsatt at langtidsaldrings-karakteristikkene for de respektive oscillatorer er vel tilpasset.

Utførelser av trykksensor-membraner med de overfor beskrevne karakteristikker og omfattende to målekanaler er vist på figurene 7-9 og 12-13. I den innvendig belastede utførelse på fig. 7-9 er det anordnet en sylindrisk del 20, fortrinnsvis av kvartsmateriale, med fire langsgående flater 22a, 22b, 22c og 22d frest inn i det utvendige volum av sylinderen 20. Flatene er fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis,

i 90° avstand (som forklart nedenfor), målt i rett vinkel med flatene, slik at flatene 22a og 22c ligger i plan som er parallelle med hverandre og i rett vinkel med plan gjennom flatene 22b og 22d. Hver flate 22a, 22b, 22c og 22d er frest til en dybde på r^. En utboring 24, som har en akse antydet ved den tenkte linje bb, er utført i sylinderen 20, som har sin akse antydet ved den tenkte linje aa. Aksen bb er parallell med aksen aa, men adskilt fra denne ved en passende vinkel

(fig. 9) og en avstand d (fig. 7), slik at det skapes deler med tykkelse t\, tj, t3 og t^ mellom hver av flatene 22a-

22d og veggen av utboringen 24.

De forskjellige strukturelle trekk ved den innvendig belastede utførelse på figurene 7-9 kan bli dimensjonert i henhold til det som er vist på figurene 1-3 og tilhørende tekst, unntatt at utboringen 24 kan utføres i sylinderen 20 med en vinkelforskyvning " p" på ca. 56° og en avstand mellom aksene aa og bb på ca. 0,7 mm. Fresedybden r^ kan være 2 mm. Plasseringen av utboringen 24 og fresedybden ri for hver flate etablerer tykkelsene t]_, tj> t3 og t4,

som kan være ca. 5,4 mm, 6,4 mm, 6,6 mm og 5,6 mm.

Man har funnet at orienteringen i nærheten av ST-kuttet ((yxwl) 0°/42, 75°,y=0) og SST-kuttet ((yxwl)0°/-49,22°,

y= 23°) passer for bruk i temperatur-selvkompenserende ut-førelser, selv om en rekke andre enkeltroterte og dobbeltroterte orienteringer også kan egne seg. ST-kuttet er diskutert i US patent 3,818,382, og er inkludert her ved henvisning til dette. SST-kuttet ble rapportert i B.K. Sinha & H.F. Tiersten, "Zero Temperature Coefficient of Delay for Surface Waves in Quartz", Applied Physics Letters, Vol 34, pp 817-19 (1979) og er inkludert her ved henvisning til dette. Eksperimentell bekreftelse ble rapportert i T. Lukaszek &

A. Ballato, "What SAW can learn from BAW: Implication for future Frequency Control, Selection and Signal Processing", Proceedings of the 1980 Ultrasonics Symposium (IEEE Cat 80 Chl602-2), pp 173-83 og inkluderes her ved henvisning til dette. For den nominelle ST-orientering vedy=0°, er 4f/f4T meget liten i nærheten av 25°C og/4fJ/f4P = 5 x IO"<9 >/kg/cm<2>. For den nominelle SST-orientering vedy=23° er Af/fAT meget liten i nærheten av 25° og |Af|/fAP = 7 x 10-<9>/kg/cm<2>.

Q er tilfredsstillende ved begge orienteringene, og begge orienteringene viser null som første ordens temperaturkoeffisient for forsinkelse av akustiske overflatebølger.

Av grunner som er forklart nedenfor i sammenheng med

en avveinings-type av temperaturkompensasjon, blir ST-orienteringen ((yxwl)0°/40°, y = 0° med en referanse- eller "turnover " -temperatur på 40°C og SST-orienteringen (yxwl)0°/-49,

2° y=21,5° med en referansetemperatur på 90° valgt. Det må forstås at de grader som her er spesifisert for orienteringen bare er tilnærmet. Kuttets virkelige grader for de ønskede karakteristikker kan variere med ca. <+>4°, avhengig av slike faktorer som elektronikken, kvartsmaterialets kvalitet, de valgte referanse- eller turnover-temperaturer, materiale og konstruksjon av fingertransduserne, og operasjon i overtone-modi.

En første flate 22a freses i et plan i rett vinkel med

en linje som er forskjøvet fra Y-aksen med en rotasjonsvinkel <©>SST i Z/Y-planet lik -49,2°. En annen flate 22b freses i et plan i rett vinkel med en linje som er forskjøvet fra Y-aksen med en rotasjonsvinkel ©ST-X i Z/Y-planet lik 40°.

På grunn av kvartsens digonale symmetri kan SST-orienteringen bli gjentatt på siden av sylinderen 20, overfor flaten 22a,

ved å frese en tredje flate 22c i et plan i rett vinkel med en linje som er forskjøvet frå Y-aksen med en rotasjonsvinkel på 130,8°. ST-kuttet kan bli gjentatt på sylinderens side, overfor flaten 22b, ved å frese en fjerde flate 22d i et plan i rett vinkel med en linje som er forskjøvet fra Y-aksen med en rotasjonsvinkel på -140,0°. Mens de beskrevne orienteringer er ønsket for den foretrukne operasjon av de temperatur-selvkompenserende utførelser, er de forskjøvet med en vinkel Øst-X _<©>SST = 89,2°. Det foretrekkes at hver flate er forskjøvet fra de andre på en slik måte at det optimaliserer mekanisk symmetri, i denne utførelse med 90°, men den lille variasjon på 0,8° fra det ønskede forhold antas ikke å ha noen betydningsfull virkning på trykksensor-membranens nominelle karakteristikk.

Teknikk for fresing av flater med forutvalgt orientering

i

er kjent, og skal beskrives ganske kort. Tilgjengeligheten

av passende deler av en kvartssylinder slik som 20, i hvilke flatene 22a-22d kan freses for å oppnå de ønskede krystallografiske orienteringer, avhenger f.eks. av korrekt utforming av sylinderen fra råkrystallet. For å oppnå en enkeltrotert orientering for flatene er X, Y og Z-aksene i et rått kvarts-stykke 50, vist på fig. 17, identifisert. En sylinder 51

med lengdeakse parallell med X-aksen av kvarts-stykket 50

er utformet fra kvartsstykket 50, fortrinnsvis ved en bore-teknikk. Sett i retning langs X-akseh og i rett vinkel med Y/Z-planet (fig. 18), er sylinderen 51 plassert i stilling

for fresing av de 4 flater med den ønskede krystallografiske orientering ved de valgte rotasjonsvinkler 9 i forhold til Y-aksen i Y/Z-planet. <©>ST-X~ °9 <©>sST-orienterin9ene er vist

på fig. 18.

Transduserne 26a og 28a på flatene 22a og 28a og 26c

og 28c på flaten 22c er fremstilt i henhold til disse kriterier: Forplantningsretningen y=21,5°, effekt-strømvinkelen = 0 grader. Transduserne 26b og 28b på flatene 22b og 26b og 28d på flaten 22d er fremstilt i henhold til disse kriterier: Forplantningsvinkelen y=0 grader, effekt-strømvinkelen =

0 grader.

Operasjonsfrekvensen for SAW-oscillatorene velges på

basis av tilgjengelig og ønsket størrelse av tilhørende SAW-anordning, samt oscillatorens stabilitet og Q. Et passende frekvensområde er 150 - 600 HHz. 200 MHz er valgt for de utførelser som er beskrevet her. SAW-anordningene kan konstrueres for høyere frekvens, f.eks. 1 GHz, om en mindre substrat-flate er ønsket. Slike anordninger må imidlertid konstrueres og fabrikeres med den ytterste forsiktighet for å unngå parasittsvingninger og andre uønskede effekter som ville påvirke virkningsgraden.

Den temperatur-selvkompenserende, innvendig belastede trykksensor-membran er vist på figurene 10 og 11, og montert 1 et illustrerende trykkhus som vil gi fleksibel støtte for membranen. Trykkhuset omfatter sylindriske hylsedeler 71,

72 og 73 i rustfritt stål. Disse griper inn i hverandre langs en passende skjøt og blir holdt stivt og trykktett av skruene 302, 304, 308 og flere etter behov (ikke vist). Forseglingene 301 og 303, som kan være av ett eller annet passende materiale, f.eks. polyminid, sikrer en fluidumtett kontakt mellom hus-delene 71 og 73 og 71 og 72. Husets endestykker 71 og 72 er utstyrt med porter 78, 79 gjennom hvilke fluidum blir ført inn i volumet 69 og til membranen. Enheten som omfatter en sylinder 20, endehettene 62 og 64,

og sylinderen 66, er 85 mm lang og understøttet i trykkhuset av et flertall elastiske deler 309-320, utformer volumet 69 hvor fluidet blir innført. De elastiske delene 309-320

kan f.eks. være løst tilpassede nylonringer. Volumet 69

står i forbindelse med utboringen 24 gjennom volumene 75

og 77, hvis del med størst diameter skal strekke seg ca.

17 mm inn i endehetten for å redusere skjærespenning mellom endehettene 62, 64 og sylinderen 20. Endehettene 62 og 64

er tett tilpasset utsiden av de respektive endedeler av sylinderen 20 ved de innvendige kantene på deres sammenhengende, sirkelrunde flenser. Ende-hettene 62, 64 er også tett tilpasset de innvendige endedeler av hylsen 66 ved de ytre kanter av de nevnte flenser.. Endehettene 62 og 64 er forseglet til sylinderen 66 langs kontaktflatene ved bruk av en passende teknikk, f.eks. glassfritte-teknikk, som er vel kjent. Denne strukturutforming vil gi en fleksibel støtte for membranen, dersom de respektive krystallografiske orienteringer i membranen, endehettene 62 og 64 og sylinderen 66 er vel tilpasset slik at de danner et sammenhengende krystallgitter. Glassfritte-materialet bør fortrinnsvis ha en termisk utvidelseskoeffisient som faller sammen med krystallets, og bør påføres i tynnest mulige lag".

Det utformes et generelt sylindrisk volum 68, avgrenset utvendig av sylinderen 66, innvendig av sylinderen 20 og ved endene av de ringformede flater av endehettene 62 og 64. Volumet 68 blir evakuert for å utforme et mildt miljø

for korrekt funksjonering av de fire forsinkelseslinjer, omfattende flatene 22a, 22b, 22c og 22d samt de respektive transduserpar 26a og 28a, 26b og 28b, 26c og 28c og 26d og

28d. Hver transduser 26a-d og 28a-d er forbundet med en terminal 70a-70d, fast montert på utsiden av og isolert fra stålhusdelen 73, ved tynne isolerte tråder 74a-74d og 76a-

76d, f.eks. av teflonisolert aluminiumslegering, gjennom små kanaler anordnet i sylinderen 66, de fleksible 311, 319, 316 og 320, og husdelen 73. Kanalene er forseglet på passende måte for å opprettholde det milde miljø i volumet 68 og fluidet

i volumet 69. Det fluidum hvis trykk skal måles blir ført inn i trykkportene 78 og 79 som er anordnet i endehettene 62 og 64, aksielt i linje med utboringen 24.

Når et fluidum blir innført i utboringen 24, vil sylinderen 20 deformeres i henhold til trykket av det innførte fluidum, og vil tilpasse seg temperaturen av det innførte fluidum. Trykksensoren er av liten størrelse, og alle dens elementer, spesielt sylinderen 20, endehettene 62, 64 og sylinderen 66 kommer raskt i termisk ekvilibrium. På grunn av de forskjellige tykkelser mellom flatene 22a, 22b, 22c og 22d og utboringen 24, vil imidlertid de respektive områder av sylinderen 20 ved flatene 22a, 22b, 22c og 22d deformeres i forskjellige grader.

En utvendig belastet utførelse som er temperaturselv-kompenserende er vist på figurene 12-13. En sylindrisk del 30 med lengde L0, fortrinnsvis av kvarts, er delt i to seksjoner 31 og 33 langs et kutt 35. Kuttet 35 er fortrinnsvis utført parallelt med X/Y-planet (på fig. 18 langs Y-aksens linje).

Da den termiske utvidelseskoeffisient er lik i alle retninger av planet (13,71 x 10_<6>/°C) kan man velge et glassfritte-materiale med en termisk utvidelseskoeffisient nær koeffisi-enten for det krystallinske materialet i X/Y-planet for å redusere spenningen som genereres langs kuttet 35. Et kutt i X/Y-planet vil gi god, om ikke eksakt mekanisk symmetri ved bruk av ST-X og SST-orienteringene. Respektive deler av det sylindriske rom 34 utføres ved fresing av seksjonene 31 og 33, og fire langsgående flater 32a, 32b, 32c og 32d freses i det innvendige volum av sylinderen 30, adskilt fra kuttet 35, for å skape motsatte ST-orienteringer og motsatte SST-orienteringer, som forklart ovenfor i forbindelse med

den innvendig belastede utførelse. Aksen av det innvendige rom 34 faller sammen med aksen av sylinderen 30. Membran-områdene med forskjellig tykkelse blir skapt ved å frese motsatte flater til forskjellige dybder. Følgelig freses flatene 32a og 32b henholdsvis til dybdene r^ og r2 , og dermed deler av membranen med forskjellige tykkelser ti og t2.

Flatene 32b og 32d freses henholdsvis til dybdene r^ og r2 ,

og dermed skapes deler av membranen med de forskjellige tykkelser tj og t2. Om man foretrekker det kan alle flatene 32a-32d freses til forskjellige dybder. SAW-forsinkelses-

linjer omfattende sender/mottagerpar 36a og 38a, 36b og 38b,

36c og 38c, 36d og 38d fremstilles på flatene 32a-32d. Så snart SAW-anordningene er utført, blir de to delene 31 og 33 av sylinderen 30 festet sammen, fortrinnsvis ved hjelp av en glassfritte-teknikk. Volumet 34 blir evakuert for å utforme et mildt miljø for korrekt funksjonering av de fire forsinkelseslinjene som omfatter flatene 32a-32d, trans-duserparene 36a/38a, 36b/38b, 36c/38c og 36d/38d. Ledninger for SAW-anordningene utformes på overflaten rundt volumet 34 og føres gjennom forbindingslaget til terminaler på utsiden av trykksensormembranen. Detaljer av en komplett membran huset i et passende trykkhus er beskrevet nedenfor.

De forskjellige strukturelle trekk ved den utvendig belastede utførelse på figurene 12-13 kan dimensjoneres i henhold til fig. 4-5 og tilhørende tekst, unntatt at fresedybden ri kan være 2 mm og fresedybden r2 kan være 4 mm. Plasseringen av rommet 34 samt fresedybdene r^ og r2 for flatene etablerer tykkelsene t^ og t2, som kan være henholdsvis 6 mm og 4 mm.

Den temperatur-selvkompenserende, innvendig belastede sensormembran er vist på figurene 14-15, montert i et illustrerende trykkhus. Trykkhuset omfatter sylindriske hylsedeler 40, 41 og 42 i rustfritt stål. Disse griper inn i hverandre langs en passende skjøt, f.eks. en fals, og blir holdt stivt og trykktett av skruene 330, 331, 332, 333 og flere etter behov (ikke vist). Forseglingene 56 og 57 som kan være av ett eller annet passende materiale, f.eks. polyminid, sikrer en fluidumtett kontakt mellom husdelene 40 og 41 og 40 og 42. Endedelene 40 og 42 er utstyrt med porter 58 og 59 gjennom hvilke fluidum blir ført inn i volumet 4 5 og til membranen. Sylinderen 30 blir understøttet inne i trykkhuset med et flertall elastiske deler 43a-43c, 47a-47c og 340-343, og utformer volumet 45 hvor fluidet blir ført inn. Ledninger for transduserne 36a-36d og 38a-38d er utformet på overflaten rundt volumet 34, og går gjennom forbindingslaget, den elastiske støttedel 4 7a og en tynn kanal i husdelen 41 til en terminal 48 montert på huset. Kanalen er forseglet på passende måte. Bare ledningen 44d, som forbinder senderen 36d med terminalen

48 og ledningen 46d som forbinder mottageren 38d med terminalen 49, er vist. De øvrige ledninger er utelatt for å

forenkle figuren.

Når et fluidum blir ført inn i det ringformede volum

45, vil sylinderen 80 deformeres i henhold til trykket av det innførte fluidum, og tilpasse seg temperaturen av; det innførte fluidum. Trykksensoren er av forholdsvis liten størrelse, og alle dens elementer kommer raskt i termisk ekvilibrium. På grunn av de forskjellige tykkelser av substratene forbundet med flatene 32a, 32c og flatene 32b, 32d blir imidlertid de tilsvarende regioner av sylinderen 30 deformert i forskjellig grad.

Både den innvendig belastede og den utvendig belastede utførelse av den temperatur-selvkompenserende sensormembran tilveiebringer to uavhengige temperatur-kompenserte målinger av trykk. Et eksempel på en krets som kan kobles til trykksensoren på enten fig. 10 eller fig. 14 for å oppnå de forbedrede resultater er vist på fig. 16. To målekanaler er vist på fig. 16. En omfatter oscillatorene 88a og 88c en blanderkrets 90 og tellerkretsene 91, 92 og 93. Den andre omfatter oscillatorene 88b og 88d, blanderkretsen 94 og tellerkretsene 95, 96 og 97. SAW-anordningene 82a, 82b, 82c og 82d omfatter f.eks. de respektive sendere 26a-26d og,mottagere 28a-28d montert på flatene 22a-22d og omfattet av membranen 80. Den krystallografiske orientering av anordningene 82a og 82c er den samme (i nærheten av SST-orienteringen), og de respektive substrattykkelser er forskjellige, slik at anordningene 82a og 82c har like frekvens,/temperatur-karakteristikker når de utsettes for lik temperatur og likt hydrostatisk trykk. Utgangen (fa) av oscillatoren 88a, omfattende SAW-anordningen 82a, forsterkeren 84a og tilpasningsnettverkene 85a og 86a, og utgangen (fc) av oscillatoren 88c omfattende SAW-anordningen 82c, forsterkeren 84c og tilpasningsnettverkene 85c og 86c, blir sendt til blanderkretsen 90. Utgangen av blanderkretsen 90, nemlig forskjellsfrekvensen fa-fc»

blir sendt til tellerkretsen 92 som teller frekvensen av inngangssignalet og frembringer en digital representasjon av dette ved sin utgang. Dermed omformes den analoge utgang av blanderkretsen 90 til et digitalt signal. Tellerkretsene 91 og 93 teller henholdsvis frekvensene fc og fa og frembringer digitale representasjoner av disse. På lignende måte blir den krystallografiske orientering av anordningene 82b og

82d den samme (nær ST-X orienteringen), og de respektive tykkelser er forskjellige, slik at anordningene 82b og 82d har like frekvens/temperatur-karakteristikker og forskjellige frekvens/trykk-karakteristikker når de blir utsatt for lik temperatur og likt hydrostatisk trykk. Utgangen (f^) av oscillatoren 88b omfattende SAW-anordningen 82b, forsterkeren 84b og tilpasningsnettverkene 85b og 86b, samt utgangen (f3)

av oscillatoren 88d omfattende SAW-anordningen 82d, forsterkeren 84d og tilpasningsnettverkene 85d og 86d blir sendt til blandekretsen 94. Utgangen av blendekretsen 94, nemlig forskjellsfrekvensen f^-f^, blir sendt til tellerkretsen 96 som teller frekvensen av inngangssignalet og frembringer e-i digital representasjon av det ved utgangen. Dermed omformes det analoge utgangssignal av blanderkretsen 94 til et digitalt signal. Tellerkretsene 95 og 97 teller frekvensene henholdsvis f<j og f^ og frembringer digitale representasjoner av disse.

Selv om det ikke er vist på figurene 10 eller 14, kan oscillatorene 88a-88d bli produsert som integrerte kretser og montert på overflater inne i de evakuerte rom, henholdsvis 68 og 34, tilstrekkelig nær tilhørende SAW-anordninger til å tillate korte ledninger for å redusere parasittsvingninger og å forbedre oscillatorens stabilitet, uten å påvirke membranens elastiske deformasjon.

De digitale signaler som representerer fa, fc, fa-fc

og ftø, f(j og f^-f^ blir sendt til prosessoren 98, som bestemmer trykkmålingene og sender resultatet til skriveren 99. Signalene fa, f^,, fc °9 ^d blir brukt i avveiningstypen av temperaturkompensasjon som forklart nedenfor, og er ikke nødvendige for temperatur-selvkompensering. Tellerkretsene 91, 93, 95 og 97 som frembringer dem kan utelates hvis bare selvkompensering er ønsket. Prosessoren 98 tilbakestiller tellerkretsene 91-93 og 95-97 for neste målesyklus.

Prosessoren 98 realiserer enten en kurvetilpasnings-rutine eller en referansetabell- og interpolasjonsteknikk for å bestemme de respektive trykkmålinger fra fa-fc og ftø-f^. Teknikken blir i det vesentlige realisert som beskrevet i forbindelse med fig. 6, unntatt at enten fa-fc eller fD~fd erstatter parameteren "f" i formel (5).

Andre temperatur-selvkompenserende utførelser er også forventet av foreliggende oppfinnelse. En utvendig belastet utførelse, basert på trekkene med ekssentrisk utboring og flere målinger, er for eksempel vist på figurene 19-20.

En sylindrisk del 130 med lengde LQ, fortrinnsvis av kvarts,

er delt i to seksjoner 131 og 133 langs et kutt 135. Kuttet 135 bør fortrinnsvis utføres i X/Y-planet for å frembringe best mulig mekanisk symmetri uten å forstyrre fire langsgående flater 132a, 132b, 132c og 132d som er frest inn i innsiden av sylinderen 130 for å skape motsatte ST-orienteringer og motsatte SST-orienteringer, som forklart ovenfor. Hver flate 132a, 132b, 132c og 132d er frest til en dybde r^. Et rom 134 med lengde , som har en akse antydet ved den tenkte linje bb er utformet inne i sylinderen 130, like langt fra enden av sylinderen 130 som har en akse antydet ved den tenkte linje aa. Aksen bb er parallell med sylinderens akse aa,

men forskjøvet fra denne ved en passende vinkel fi> og en avstand d slik at det skapes deler med respektive tykkelser ti, t2,

t3 og t4 mellom hver av flatene 132a-132d og den utvendige overflate av sylinderen 130.

De forskjellige strukturelle trekk ved den utvendig belastede utførelse på figurene 19-20 kan dimensjoneres i henhold til det som er vist på fig. 4-5 med tilhørende tekst, unntatt at rommet 134 kan utføres i sylinderen 130 med en vinkelforskyvning "( b" på ca. 51 grader og en avstand "d" mellom aksene aa og bb på ca. 1,4 mm. Hver flate 132a-132d kan ha en bredde på 5 mm og en lengde på 12 mm. Fresedybden ri kan være 2 mm. Plasseringen av utboringen 134 og fresedybden ri for hver flate etablerer tykkelsene ti, t2, t3

og t4, som kan være henholdsvis ca. 4,9 mm, 6,9 mm, 7,1 mm og 5,1 mm.

Orienteringen av de freste flater er valgt på samme basis, og utformingen av SAW-anordningene er utført på samme måte som forklart ovenfor. Etter at SAW-anordningene er fremstilt, blir de to delene 131 og 133 av sylinderen 130 festet sammen og plassert i et hus som beskrevet i forbindelse med figurene 14 og 15, og membranen koblet til en målerkrets ifølge fig. 16.

I en annen utførelse av en innvendig belastet sensor

er aksene av sylinderen og utboringene sammenfallende, men flatene frest til forskjellige dybder for å oppnå de for-

skjellige tykkelser i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Fig. 21 viser f.eks. motsatte flater 150a og 150b med en gitt orientering, f.eks. SST-orienteringen, frest til forskjellige dybder rj og r'2, som dermed skaper deler av membranen med forskjellige tykkelser t^ og t2. På lignende måte er flatene 150b og 150d frest til dybdene r^ og r2, og skaper dermed deler av membranen med forskjellige tykkelser t^ og t2. Selv om fresedybdene for flatene 150a og 150b er den samme, r^, og fresedybden for flatene 150c og 150d er den samme r2 , kan hver av flatene freses til forskjellig dybde om ønsket.

En forenklet utførelse av den temperatur- selvkompenserende trykksensor-membran, uten flere målinger, er vist på fig. 22 for en innvendig belastet anordning. En utvendig belastet anordning kan konstrueres på samme basis. Utførelsen ifølge fig. 22 krever bare en enkelt målekanal omfattende flatene 160a og 160b, frest til respektive dybder r^ og r2, og tilhør-ende elektroniske kretser slik som en av kanalene på fig. 16 .

De orienteringer som har vært diskutert hittil er enkeltroterte orienteringer om den digonale akse. Andre egnede orienteringer, så som enkeltroterte om den trigonale akse eller dobbeltroterte, kan være fordelaktige for visse anvendelser. En membran basert på en enkeltrotert orientering om den trigonale akse er vist på fig. 23. Figur 23 viser en enkelt målekanal omfattende flatene 170a, 170b, 170c frest til dybdene r^, r2, r3 . Den tredje flate i målekanalen frembringer en overflødig avlesning for å forbedre påliteligheten av det målte trykk.

Man har oppdaget at orienteringer nær ST- og SST-orienteringene har en annen karakteristikk som, i henhold til foreliggende oppfinnelse, med fordel kan benyttes til å anordne temperaturkompenserte trykkmålinger, og til ytterligere å forbedre responstid og nøyaktighet av temperaturkompenserte trykkmålinger. Spesielt utviser disse orienteringer forskjellige "turnover"- eller referansetemperaturer. Frekvens/tem-peraturkarakteristikken for SAW-anordningen utviser en parabolsk funksjon,, idet frekvensen rundt referansetemperaturen har en minimal temperaturavhengighet. Følgelig er de temperatur-forårsakede feil lengst borte fra referansepunktet. For å frembringe stor presisjon hvor fluidet er utsatt for temperaturvariasjoner i området fra 0 til 130°C f.eks., blir to uavhengige målinger tatt med SAW-anordninger som har referansetemperaturer på 40°C og 90°C kombinert til å gi mer konsekvent presisjon i målingene, som forklart i mer detalj nedenfor.

To egnede orienteringer er /yxwl) 40,0°, Y=0 som gir en referansetemperatur på 40°C, og (yxwl) 0°/-49,2°, y=21,5° som gir en referansetemperatur på 90°C. Verdiene av Af/fAT og Af/fAP for de respektive orienteringer ved disse referansetemperaturer er omtrent de samme som nevnt ovenfor.

Turnover- eller referansetemperatur for en SAW-anordning kan endres over et vidt temperaturområde ved en liten endring i rotasjonsvinkel, i forplantningsretningen eller i begge disse. F.eks. ved orienteringer nær ST-kuttet øker referansetemperaturen med avtagende rotasjonsvinkel når forplantningsretningen holdes konstant langs den digonale akse. For orienteringer nær SST-kuttet øker referansetemperaturen enten med avtagende rotasjonsvinkel eller avtagende forplantningsretning, når den andre holdes konstant.

Avveiningstypen av temperaturkompensasjon kan supplere temperatur-selvkompensasjon i anvendelser som krever meget nøyaktig bestemmelse av trykk. I slike anvendelser er det mulig at temperaturpåvirkningen ikke blir tilstrekkelig elimi-nert ved blanding av fc og fc eller f^ og f3. Selvkompensa-sjonsteknikken kan under disse omstendigheter frembringe nøyaktig og stabil operasjon over et bredt, men ikke ubegrenset temperaturområde. Figur 24 viser grafisk det bredere område over hvilket uønskede temperaturinduserte påvirkninger blir vesentlig redusert som følge av selvkompenseringsteknikken. Det må forstås at fig. 24 bare er illustrerende, og at 10 graders skift i referansetemperatur som er vist for de to SAW-anordninger med lik orientering i de respektive kanaler

er større enn hva man vil finne i praksis. Dette for tydelig å illustrere diskusjonen i denne spesifikasjon. Kurvene 402a og 402b representerer frekvens/temperatur-funksjonen av en selvkompenserende kanal basert på SAW-anordninger med ST-orientering. Borte fra den valgte referansetemperatur

på 40°C endres kurvene 402a og 402b raskt, noe som tyder på at SAW-anordningens respons er sterkt påvirket av temperatur i alle deler av kurvene 402a og 402b unntatt like i nær-

heten av referansetemperaturen. Kurven 404 endrer seg meget langsomt rundt referansetemperaturen i det interessante område 0-130°C, noe som tyder på at responsen av den selvkompenserende kanal bare er svakt påvirket av temperaturen i dette området. Kurvene 406a og 406b representerer frekvens/temperatur-funksjonen av to SAW-anordninger med SST-orienteringen (yxwl) 0°/-49,2°, y=21,5°, mens kurven 408 representerer frekvens/ temperatur-funksjonen av den selvkompenserende kanal basert på SAW-anordninger med SST-orientering. Rundt den valgte referansetemperatur på 90°C endres kurvene 406a og 406b raskt, noe som tyder på at SAW-anordningene respons vil bli sterkt påvirket av temperatur i alle deler av kurvene 406a og 406b unntatt like i nærheten av referansetemperaturen. Kurven 408 endres meget langsomt rundt referansetemperaturen i det interessante område, 0°C til 130°C, noe som tyder på at den selvkompenserende kanals respons er bare svakt påvirket av temperatur i dette område. Temperaturpåvirkningen på "ST"-

og "SST"-kanalene er generelt liten, men temperaturen har ingen effekt på "ST"-kanalen ved ca. 40°C som vist av kurven 404, og ingen effekt på "SST"-kanalen ved ca. 90°C som vist av kurven ;408. Avveinings-typen av temperaturkompensasjon gjør fordélaktig bruk av disse trekk.

I avveiningstypen av temperaturkompensasjon blir de respektive kanalers respons avveiet i henhold til sine respektive frekvens/temperatur-funksjoner. En enkel avveiningsfunksjon er grafisk illustrert på fig. 25, hvor kurven 412 representerer avveiningsfunksjonen anvendt på de trykkmålinger som er bestemt i "SST"-kanalen og de temperaturmålinger sorn er bestemt i "ST"-kanalen. De optimaliserte trykkmålinger og de optimaliserte temperaturmålinger blir sendt som utgangssignal til skriveren 99 (fig. 16).

Avveiningsfunksjonen som vist på fig. 25 er basert på frekvens/temperatur-karakteristikken for ST- og SST-orienteringer over et utvidet temperaturområde. Temperaturrespon-sen for en SAW-anordning som en funksjon av frekvens og trykk er en typisk to-dimensjonal polynom av formen: mens trykkresponsen for en SAW-anordning som en funksjon av frekvens og temperatur er gitt av formel (4) som er gjengitt nedenfor:

Avveiningsteknikken for temperaturkompensasjon blir

brukt i forbindelse med en kruve-tilpasningsteknikk. Hver av de fire oscillatorene 88a-88d blir kalibrert til å frembringe en trykkmåling som en funksjon av frekvens og temperatur, og en temperaturmåling som en funksjon av frekvens og trykk i henhold til de to-dimensjonale polynomer for trykk- og temperaturmålinger gitt i formlene (4) og (6). Under kali-breringen blir fa, <f>tø, fc, fa-fc °9 <f>b~fd ^ra tellerkretsene 93, 97, 91, 95, 92 og 96 målt over et bredt område av valgte trykk og temperaturer, og polynomenes koeffisienter blir bestemt ved bruk av en parameter-estimeringsteknikk, f.eks. teknikken "minste kvadrat"-parameter som beskrevet i Mendel-referansen som henvist til ovenfor, og er inkludert her ved henvisning til denne.

I målefasen blir et omtrentlig mål av trykk oppnådd

fra utgangen av blanderkretsene 90 og 94, nemlig signalene fa-fc og ftø-f^. De omtrentlige trykkmålinger (omtrentlige fordi de er svakt påvirket av temperaturen) blir utjevnet,

og resultatet brukt til å bestemme omtrentlig temperatur ved de fire SAW-anordningene ved anvendelse av formel (6)

på fa, <f>tø» fc og f(j. En middeltemperatur blir bestemt, og regnes som et beste estimat for temperaturen for den følgende gjentatte fremgangsmåte.

De respektive temperaturbestemmelsene fra SAW-anordningene blir avveiet som en funksjon av beste-estimat temperaturen i henhold til den illustrerende avveiningsfunksjon gitt ved uttrykkene '10 og 11 og vist på fig. 25, for å oppnå et for-bedret beste-estimat for temperaturen. Den forbedrede beste-estimat temperatur blir brukt i formel (4) til å oppnå bedre trykkbestemmelse fra signalene fa-fc og f^-f^. Den resulterende, forbedrede trykkbestemmelse fra de to kanaler blir avveiet som en funksjon av beste-estimat-temperaturen i henhold til den illustrerende avveiningsfunksjon, gitt ved uttrykkene (7) og (8) og vist på fig. 25, for å få et bedre beste-estimat for trykket. Hvis resultatene for beste-estimat temperatur og beste-estimat trykk har konvergert, blir beste-estimatene tatt som korrekte temperatur- og trykkmålinger. Ellers blir det forbedrede beste-estimat for trykk brukt

i formel (6) til å bestemme temperaturene for fa, <f>^, fc,

og f(j. Disse blir behandlet som beskrevet nedenfor.

Kurvene 412 og 414 for å bestemme beste-estimat for trykk er gitt ved uttrykkene

og

hvor størrelsene og w2 har formen |T-90°|<3> og |T-40°p( og hvor 0°C <T <130°C.

Beste estimat for trykk er gitt ved:

Kurvene 412 og 414 for å bestemme beste estimat for temperatur er gitt av uttrykkene:

og hvor størrelsene Yj og Y2 har formen |T-40°|<3> og |T-90°|3, og hvor 0°C<T£130°C. Beste estimat for temperatur er gitt av

Avveiningsteknikken er beskrevet som en optimaliserings-teknikk i sammenheng med temperatur-selvkompenserende utfør-elser, men den kan også anvendes med andre utførelser (f.eks. utførelsen på fig. 19-20 og 21), inklusive ukompenserte ut-førelser (f.eks. utførelsene på figurene 1-3 og 4-5). Anvendt med f.eks. utførelsen på fig. 1-3 og 4-5, kan det normalt smale temperaturområde rundt kalibreringstemperaturen hvor utførelsene ifølge figurene 1-3 og 4-5 virker nøyaktig bli utvidet. Om teknikken realiseres, f.eks. for utførelsene ifølge figurene 1-3, vil flatene 2a og 2b ha "ST"-orientering, mens to andre flater med samme tykkelse som 2a og 2b, men med "SST"-orientering vil bli anordnet som beskrevet nedenfor. Avveiningsfunksjonen vil bli modifisert etter behov for å

vise temperatur/frekvens-funksjonen for kurvene 402a, 402b og 406a, 406b på fig. 24 istedenfor kurvene 404 og 408.

Figurene 26-31 er rettet mot utførelser av en trykksensor-membran som gir uavhengige målinger av trykk og temperatur.

En mål-korrigerende trykksensor-membran ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter minst to SAW-anordninger, én av hvilke er primært følsom for trykk, og den andre er primært følsom for temperatur. SAW-anrodningene er koblet til respektive forsterkere og tilpasningsnettverk for å utforme oscillatorer. Utgangene av oscillatorene blir sendt til en passende prosessor som kompenserer trykkmålingene i henhold til temperaturmål-ingene. Utgangen av prosessoren blir sendt til en passende indikator- eller registeranordning.

I den innvendig belastede utførelse på figurene 26 og

27 er det frest fire flater på sylinderen 230. Flatene 232a, og 232c har SST-orientering og flatene 232b og 232d har ST-orientering, og er plassert på sylinderen som forklart ovenfor. En utboring 238 er anordnet i sylinderen 230. Aksen av utboringen 238 faller sammen med aksen av sylinderen 230.

Hver flate er fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis, frest

til en jevn dybde r^, og skaper en tykkelse t^ mellom ut-boringens vegg og hver av flatene 232a-232d. Fire finger-transdusere er anbragt på hver flate. En foretrukket konstruksjon av flaten 232a og -mottager 235a utformer en forsinkelseslinje i hvilken akustisk overflatebølge-energi forplanter seg langs linjen dd. Finger-senderen 236a og -mottageren 237a utformer en annen forsinkelseslinje i hvilken akustisk overflatebølge-energi forplanter seg langs linjen cc. De forskjellige strukturelle trekk ved membranen på figurene 26 og 27 kan dimensjoneres i henhold til det som fremgår av 1-3 og tilhørende tekst.

I den utvendig belastede utførelse på figurene 29 og

30 er en sylinder 240 med lengde LD, fortrinnsvis av kvarts, delt i to seksjoner 241 og 243 langs et kutt 248. Plasseringen av kuttet 248 bør fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis velges parallelt med X/Y-planet, og et passende bindemiddel bør velges som beskrevet ovenfor. Deler av en innvendig, generelt sylindrisk, overflate 149 er utformet i seksjonene 241, 243 slik at seksjonene 241, 243 når de monteres sammen, utformer et innvendig, lukket koaksialt sylindrisk rom.

Fire flater 242a-242d er frest i innvendige sylindriske overflate 249. Motsatte flater 242a og 242c har SST-orientering, og motsatte flater 242b og 242d har ST-orientering. Alle er plassert på sylinderen 240 som forklart ovenfor. Hver flate er frest til en jevn dybde r^, slik at den skaper en tykkelse t^ mellom den ytre sylindriske overflate av sylinderen 240 og hver av flatene 242a-242d. Fire finger-transdusere er anbragt på hver flate,, fortrinnsvis i den utforming som er detaljert på fig. 28. Finger-senderen 244a og -mottageren 245a utformer f.eks. en forsinkelseslinje i hvilken akustisk overflatebølge-energi forplanter seg langs linjen cc. De forskjellige strukturelle trekk ved membranen på figurene 29 og 30 kan dimensjoneres i henhold til det som fremgår av figurene 4 og 5.

Et viktig hensyn i forbindelse med konstruksjon av SAW-forsinkelseslinjene på fig. 28 er reduksjon av krysstale (cross-talk) mellom tilstøtende finger-transdusere. Denne kan bli redusert til et akseptabelt nivå, f.eks. ved å metal-lisere overflaten som ligger overfor den overflaten hvor SAW-forsinkelseslinjen er fremstilt, slik at transduserne skjermes elektrisk fra hverandre, eller ved å plassere transduserne i tilstrekkelig avstand fra hverandre til å oppnå elektrisk isolasjon. Kryssende forplantningsbaner vil opti-malt sørge for at de respektive trykk- og temperatur-orienteringer har den samme temperatur. Foreliggende oppfinnelse overveier også bruk av forplantningsbaner som ikke krysser hverandre. En slik konstruksjon vil gi god elektrisk isolasjon mellom fingertransdusere som ligger på samme flate.

Trykksensor-membranene på figurene 26, 27 og 29, 30

er montert i passende trykkhus som forklart ovenfor, og koblet til passende elektriske kretser, f.eks. den som er vist skjematisk på fig. 31. En membran 270, som representerer f.eks. membranen på fig. 26-27 eller 29-30, er forsynt med fire flater 272a-272d som representerer f.eks. flatene 232a-232d eller flatene 242a-242d. Hver flate er utstyrt med en trykkorientering go en temperaturorientering. Det har vært kjent at SST- og ST-orienteringene er istand til å virke som tem-peraturorienteringer eller trykkorienteringer hvis korrekt forplantningsretning er valgt. For den valgte SST-orientering (yxwl) 0°/-49,2°, frembringer y=0 en temperaturtølsom orientering karakterisert ved Af/fA,T=19X10~6/°C, mens y=21'5 frembringer en trykkfølsom orientering karakterisert ved |Af|/f P = 7xl0_<7>/kg/cm<2>, og Af/fAT er liten omkring 90°C.

For den valgte ST-orientering (Yxwl) 0°/40°, frembringer

Y=35° en temperaturtølsom orientering karakterisert ved

Af/fAT = 20xlO~<6>/°C, mens y=0 frembringer en trykkfølsom orientering karakterisert ved |Af|/f T = 4,9xl0~<9>/kg/cm<2>,

og Af/fAT er liten omkring 40°C. Passende temperatur- og trykkorienteringer for utførelse e på figurene 26-27 og 29-

30 er gitt i følgende tabell:

Kretsen på fig. 31 omfatter fire uavhengige målekanaler 274a-274d, for hvilke kanal 274a er representativ. En temperatur-følsom oscillator omfattende tilpasningsnettverkene 280 og 281 og forsterkeren 282 frembringer et utgangssignal som blir digitalisert i tellerkretsen 283 og frembragt som et signal fa^ til prosessoren 298. En trykkfølsom oscillator omfattende tilpasningsnettverkene 284, 285 og forsterkeren 285 frembringer et utgangssignal som blir digitalisert 287

cg frembragt som et signal fap til prosessoren 298. På lignende måte frembringer kanalene 274b, 274c og 274d signalene <f>bt °9 <f>bp' fcb °9 <f>cp °9 <f>dt °9 fdp ti:L prosessoren 298.

Prosessoren 298 realiserer enten en kurvetilpasnings-rutine eller en referansetabell- og interpolasjonsrutine til å bestemme det temperaturkorrigerte trykk. I begge tilfelle er det første skritt å måle både f^- og fp-signalene ved valgte trykk over det nødvendige temperaturområde. Disse verdier kan så brukes, enten til å utlede koeffisientene for det valgte kurvetilpasnings-uttrykk eller til å bestemme individuelle innganger for en referansetabell for hver av de valgte temperaturer.

Når man realiserer en kurve-tilpasningsteknikk, blir oscillatorene på hver flate kalibrert til å frembringe henholdsvis en trykkmåling som funksjon av frekvens og temperatur og en temperaturmåling som funksjon av frekvens og trykk. Typiske to-dimensjonale kalibrerings-polynomer for trykk

og temperatur har den form som er vist av formlene (4) og (6). De to oscillatorene forbundet med flaten 272a er represen-tative for oscillatorparene forbundet med flatene 272b, 272c og 272d. Under kalibrering blir operasjonsfrekvensene for de to oscillatorene på flaten 272a, som frembringer henholds-

vis fat og fap, målt over et bredt område av temperaturer og trykk. Koeffisientene for polynomen T(f,P) for oscillatoren som frembringer fat og koeffisientene for polynomen P(f,T)

for oscillatoren som frembringer fap blir bestemt ved bruk av en parameter-estimerings-teknikk, som f.eks. "minste kvadrat"-parameter estimering som er beskrevet i Mendel-referansen. Under målefasen blir en tilnærmet måling av temperaturen

oppnådd fra fat ved bruk av uttrykket

utledet fra formel (6). Den tilnærmede verdi for temperaturen blir brukt i formel (4) sammen med fap til å bestemme et beste estimat for trykk. Teknikken kan anvendes gjentatte ganger ved bruk av dette beste-trykk-estimat med fa^ i formel (6), og det resulterende beste-estimat for temperaturen med fap i formel (4) til resultatene for temperatur og trykk konvergerer.

Når man realiserer referansetabell-teknikken blir det interessante signal under kalibreringsfasen målt over et område av valgte trykk og temperaturer, og de verdier man finner blir lagret i en tredimensjonal tabell over trykk,

fat °9 fap- Under målefasen blir trykkmålingene bestemt ved å konsultere tabellen, og om nødvendig benytte en hensikts-messig interpolasjonsteknikk for tre variable, som forklart i Kunz-referansen nevnt ovenfor, og som er inkludert ved referanse til denne.

Kcmpensasjonsteknikk basert på målekorreksjon er forklart her i sammenheng med en enkelt flate, men teknikken kan også benyttes hvor oscillatorer på respektive flater eller andre regioner av membranen har en temperaturorientering og en trykkorientering. Som anvendt f.eks. på utførelsen ifølge figurene 1-3 og 4-5, ville flatene 2a og 2b ha ST-orientering med y = 0° for å føle trykk, mens to tilleggsflater med samme tykkelse som 2a og 2b, men med SST-orientering og med y=0° for å føle temperatur ville bli anordnet som forklart ovenfor.

Oppfinnelsen er beskrevet under henvisning til spesielle utførelser, men det må forstås at utførelsene er illustrerende, og at oppfinnelsen ikke tenkes begrenset til de viste utførelser. Variasjoner innenfor oppfinnelsens ånd og ramme vil kunne finnes av teknisk kyndige personer. For eksempel, mens temperaturbevirkede frekvensskift i SAW-anordninger tilvirket på en membran huset i en fleksibel struktur i det vesentlige avhenger av krystallografisk orientering, så som membranstrukturens detaljerte geometri, endehettekonstruksjon og belastningsutforming såvel som den valgte orientering. Variasjoner i disse og andre slike faktorer er påtenkt, og ligger innenfor oppfinnelsens område.

Claims (7)

1. Trykkføler omfattende en krystallinsk membranseksjon (20, 30) med en sylindrisk eller sfærisk ytre overflate og en sylindrisk eller sfærisk indre overflate, hvor en av de nevnte ytre og indre overflater er innrettet til å utsettes for trykk; hvor membranseksjonen er utstyrt med en akustisk overflatebølge-anordning som inngår i en oscillator, hvilken oscillator er forbundet med en detektorkrets som er innrettet til å beregne kraftpåvirkningen på membranet ut fra endringer i oscillatorens signalfrekvens som oppstår når membranet deformeres, karakterisert ved at den andre av de nevnte ytre og indre overflater omfatter et f ø r s t e område (22a, 32a) som har en valgt orientering og er utstyrt med den akustiske overflatebølge-anordning (6a, 8a) og et a n n e t område (22c, 32c) som har en orientering i det vesentlige lik det første området og som er utstyrt med en annen akustisk overflatebølge-anordning (6b, 8b) som inngår i en annen oscillator; at den første del av membranseksjonen mellom aen nevnte overflate innrettet til å utsettes for trykk og det nevnte første område har en første forutbestemt tykkelse (ti); at en annen del av membranseksjonen mellom den nevnte overflate innrettet til å utsettes for trykk og det nevnte annet område har en annen forutbestemt, tykkelse (t3) som er forskjellig fra den første forutbestemte tykkelse, og at oscillatorene er tilsluttet en signalbehandlingskrets som er innrettet til å sammenligne deres signalfrekvenser og beregne trykkpåvirkningen på membranet.

2. Trykkføler ifølge krav 1, karakterisert ved at membranseksjonen har en sammenhengende krystallgitterstruktur.

3. Trykkføler ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at orienteringen av de nevnte første og andre områder er valgt fra den gruppe som består av ST-orienteringer og SST-orienteringer.

4. Trykkføler ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den nevnte andre overflate også omfatter et tredje område (22b, 32b) som har en valgt orientering, forskjellig fra orienteringen av første og annet område og som er utstyrt med en tredje akustisk overflate-bølge-anordning ; og et fjerde område (22d, 32d) som har en orientering i det vesentlige lik orienteringen av det tredje område, og som er utstyrt med en fjerde akustisk overflatebølge-anordning; at membranseksjonen også har en tredje del av membranseksjonen mellom den nevnte overflate innrettet for å utsettes for trykk og det nevnte tredje området, hvilken tredje del har en tredje forutbestemt tykkelse (t2); cg en fjerde del av membranseksjonen mellom den nevnte overflate innrettet til å utsettes for trykk og det nevnte fjerde område, hvilken fjerde del har en fjerde forutbestemt (t4) tykkelse som er forskjellig fra den tredje forutbestemte tykkelse.

5. Trykkføler ifølge krav 4, karakterisert ved at den første (ti) og den tredje (t2) tykkelse er like, og at den annen (t3) og den fjerde (t4) tykkelse er like.

6. Trykkføler ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den nevnte andre overflate er den indre overflate.

7. Trykkføler ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved en blanderkrets (90) som er forbundet med utganger på signalbehandlingskretsen, en frekvensteller (92) som er forbundet med en utgang på blanderkretsen, og en prosessor som er forbundet med en utgang på frekvenstelleren for å bestemme en temperatur-kompensert trykkmåling.