DE2735171C2

DE2735171C2 - Meßwandler

Info

Publication number: DE2735171C2
Application number: DE2735171A
Authority: DE
Inventors: Donald James San Diego Calif. Cretzler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-08-31
Filing date: 1977-08-02
Publication date: 1984-11-29
Also published as: GB1589745A; CA1099388A; DE2735171A1; FR2363875B1; FR2363875A1; US4064549A; JPS5359478A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Meßwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Für bestimmte Anwendungen wie z. B. zum Messen eines Druckes, besteht ein erheblicher Bedarf an Meßwandlern. Ein derartiger Wandler ist beispielsweise aus der US-PS 37 50 476 bekannt Er weist ein erstes hohles zylindrisches Element aus Quart auf. In diesem ist ein zweites zylindrisches Element aus Quarz angeordnet, wobei die Endbereiche des zweiten Elements jeweils einen größeren Durchmesser aufweisen als der zwischen den Endbereichen liegende mittlere Bereich des zweiten Elementes und wobei die Endbereiche des zweiten Elementes mit dem ersten Element dicht verschmolzen sind. An der Oberfläche des mittleren Bereichs des zweiten Elements und an der gegenüberliegenden Fläche des ersten Elements ist jeweils eine dünne leitende Schicht vorgesehen, wobei diese Schichten voneinander beabstandet sind. Wenn auf das erste, äußere Element ein Druck ausgeübt wird, ändert sich der Abstand zwischen den leitenden Schichten der beiden Elemente, so daß sich auch die Eigenschaften des Wandlers ändern. Bei einem kapazitiv arbeitenden Wandler bilden die leitenden Schichten die beiden Beläge eines Kondensators.

Ein zylindrischer Wandler der oben beschriebenen Art weist den Vorteil auf, daß die beiden leitenden Schichten in der Form von geschlossenen Schleifen vorliegen und gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Streukapazitäten zwischen den beiden leitenden Schichten, die normalerweise bei Kondensatoren vorliegen, werden daher gering gehalten. Derartige Wandler sind daher insbesondere bei Halbleiterschaltungcn, die mit hohen Frequenzen arbeiten, vorteilhaft.

Ein Problem, das im Zusammenhang mit derartigen Mcßwandlern auftritt, besteht darin, daß eins erste IiIement an den Stellen, an denen es mit dem zweiten Element verbunden ist, bricht, weil auf das erste Element Druck ausgeübt wird, um den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Element zu verändern. Zudem können die beiden leitenden Flächen beim Verschmelzen der beiden Elemente durch die dabei auftretende

HiUe beschädigt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Meßwandler der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß das erste bzw. äußere Element bei Druckbeaufschlagung weniger leicht bricht und daß beim Verschmelzen des ersten und des zweiten Elements eine die leitenden Schichten bzw.

Elektroden schützende Wärmeisolation geschaffen

wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Meßwandler der ein-

gangs genannten Art gelöst, der durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Meßwandlers besteht darin, daß die stetige Vergrößerung des Durchmessers des ersten Elements eine Verteilung der mechanischen Spannung bewirkt und daß der erfindungsgemäße Meßwandler dabei bei Druckbeaufschlagung weniger leicht reißt bzw. bricht als vergleichbare bekannte Meßwandler.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Meßwandlers besteht darin, daß die leitenden Schichten bzw. Elektroden beim Verschmelzen der beiden Elemente vor der entstehenden Hitze geschützt werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig.) einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Meßwandler·,
Fig.2 eine vergrößerte Darstellung eines Bereiches des Meßwandlers der F i g. 1;

Fig.3 eine vergrößerte Seitenansicht des zweiten Elements, auf das eine leitende Schicht aufgebracht ist; und
Fig.4 eine vergrößerte Seitenansicht auf einen Schnitt durch das erste Element, auf das ebenfalls eine leitende Schicht aufgebracht ist.

Wie aus den Figuren hervorgeht, besteht der Meßwandler im wesentlichen aus zwei konzentrisch angeordneten Elementen 10, 12. Jedes der Elemente 10,12 besteht aus einem amorphen (bzw. nichtkristallinen) Quarz oder Quarzglas. Zur Herstellung der Elemente 10, 12 aus einem festen Quarz wird Naturquarz zu einem feinteiligen Pulver zerstoßen, das beispielsweise durch Wärme und Druckbeaufschlagung verschmolzen wird. Die Elemente 10, 12 lassen sich jedoch auch aus anderen geeigneten Materialien mit dielektrischen Eigenschaften herstellen.

Das erste hohle zylindrische Element 10 ist mit einer axialen Bohrung 14 versehen, deren Durchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Elementes 12. An den beiden axialen Enden des ersten Elementes 10 nimmt die Dicke in einem Gebiet 18 allmählich bzw. stetig zu. Diese stetige Dickenzunahme in dem Gebiet 18 erfolgt mit einer verhältnismäßig geringen Steigung 16. Das Gebiet 18 endet an einer Stelle, die gegenüber dem Achsialumfang des Elements 10 achsial nach innen versetzt liegt.

Im folgenden werden beispielhafte Bemessungen für das erste und das zweite F.lemcnt angegeben. Das erste h^r> F.lcment 10 weist eine achsiale Länge von etwa 114 mm auf. Bei dieser AusfUhrungsform weist das Gebiet 18 eine achsiale Länge von etwa 1b,3mm auf. Der Übergangsbcrcich endet in einei¹ Entfernung von etwa

15,2 nun vom achsialen Ende des ersten Elementes 10. Der Innendurchmesser des ersten Elementes 10 beträgt etw-t 26,2 mm. Der Außendurchmesser zwischen den beiden Gebieten 18 beträgt etwa 28 mm. Der Außendurchmesser des ersten Elementes 10 nimmt in dem Gebiet 18 allmählich auf etwa 29 mm zu.

Das zweite Element 12 besitzt einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung 14 des ersten Elementes 10. Bei der im vorigen Absatz beschriebener Ausführungsform kann das zweite Element 12 beispielsweise einen Durchmesser aufweisen, der 0,1 mm kleiner als der Durchmesser der Bohrung 14 im ersten Element 10 ist

Das zweite Element 12 weist eine konische Verjüngjung unter einem geeigneten Winkel (wie etwa 33°) im Dbergangsbereich 22 auf. Diese konische Verjüngung erstreckt sich über einen Umfangsbereich, der im wesentlichen dem Gebiet 18 des ersten Elements 10 gegenüber liegt Dabei erfolgt die konische Verjüngung jeweils zu dem Endbereich hin. Die konische Verjüngung im Übergangsbereich 22 ist vorgesehen, um eine Lufttasche herzustellen, die als Wärmeisolation wirkt, wenn die Elemente 10, 12 durch Wärme miteinander verschmolzen werden. Der Durchmesser des zweiten Elements 12 entlang des achsialen Bereichs, der sich in achsialer Richtung von dem Übergangsbereich 22 nach außen erstreckt, ist geringfügig größer als der Durchmesser des mittkren Bereiches. Dadurch wird das Verschmelzen der Elemente 10,12 erleichtert

Ein Paar von Locher 24,26 (F i g. 1) ist an einem Ende des zweiten Elementes 12 nahe dem Ende des Übergangsbereiches 22 vorgesehen. Die Löcher 24,26 gehen in eine Bohrung 28 über, die achsial durch das zweite Element 12 verläuft Ein Ansatz 30 ist auf der Innenfläche der achsialen Bohrung 28 vorgesehen und liegt in der Nähe des Lochs 24. Desgleichen befindet sich ein Ansatz 32 auf der Innenfläche der achsialen Bohrung 28 in der Nähe des Lochs 26.

Eine erste leitende Schicht 36, die beispielsweise aus einem Edelmetall, wie Platin, besteht, ist auf der Innenfläche des Mittelteiles des ersten Elementes 10 zwischen den Gebieten 18 aufgebracht. Eine Zunge 38 aus dem gleichen Material wie die erste leitende Schicht 36 verläuft von einem Ende der ersten leitenden Schicht 36 aus in achsialer Richtung nach außen. Die Zunge 38 ist einteilig mit der ersten leitenden Schicht 36 ausgebildet. Sie liegt mit ihrem einen Ende in der Nähe des Lochs 24 und es ist ein Fleck 40 aus einem leitenden Material auf der Zunge 38 in der Nähe des Lochs 24 vorgesehen. Dieser Fleck 40 kann aus einem Epoxymaterial bestehen, dem jedoch Silber innig beigemischt sein kann, um es leitend zu machen. Eine Zuleitung 42 ist mit einem Ende mit dem Fleck 40 verbunden. Mit dem anderen Ende ist die Zuleitung 42 mit dem Ansatz 30 verbunden. Eine Zuleitung 44, die mit ihrem einen Ende ebenfalls mit dem Ansatz 30 verbunden ist, verläuft durch die Bohrung 28 zu einem Ort außerhalb des zweiten Elementes 12.

Ebenso ist eine zweite leitende Schicht 46 aus einem geeigneten Material wie Platin auf der Außenfläche des zweiten Elementes 12 vorgesehen. Eine leitende Zunge 48, die einstückig mit der zweiten leitenden Schicht 46 ausgebildet ist, verläuft von dieser aus durch das Loch 26 zum Ansatz 32. Eine Zuleitung 50 ist mit ihrem einen Ende mit dem Ansatz 32 verbunden und verläuft durch die Bohrung 28 zu einem Ort außerhalb des ersten Elements 10.

Die Elemente 10,12 werden an den Enden ihrer axialen Länge bei einer geeigneten Temperatur wie etwa 1750⁰C miteinander verschmolzen. Wenn die Elemente 10, 12 bei dieser hohen Temperatur miteinander verschmolzen werden, verdampft das Platin auf den Zungen 38,40 neben der Verschmelzirngsstelle nicht Einer-

seits ist das Platin fest mit der Oberfläche der Quarzelemenie 10, 12 verbunden, so daß es auch unter starker Wärmeeinwirkung nicht verdampft Andererseits wirkt die Luft in den konischen Verjüngungen der Übergangsbereiche 22 als Wärmeisolator, so daß die Tempe-

ratur des Platins auf den Zungen 38, 48 nicht zu hoch ansteigen kann.

Die leitenden Schichten 36,46 bilden die beiden Elektroden eines Kondensators. Die Kapazität dieses Kondensators verändert sich bei einer Druckbeaufschlagung und bei einer dadurch bewirkten radialen Eindrükkung. Der Abstand zwischen den leitenden Schichten 36,46 ändert sich entsprechend der Größe des ausgeübten Drucks.
Dadurch, daß der äußere Durchmesser des ersten Elementes 10 in dem dem Obergangsbereich 22 gegenüberliegenden Gebiet 18 allmählich größer wird, läßt sich die Neigung des ersten Elements, bei Druckbeaufschlagung zu reißen, praktisch eliminieren.
Die allmähliche Vergrößerung des Durchmessers des ersten Elementes 10 im Gebiet 18 bewirkt eine Spannungsverteilung im ersten Element 10 über das gesamte Gebiet 18, so daß sich keine Spannungen an einem bestimmten Punkt und insbesondere nicht am Ende des Gebiets 18 konzentrieren können. Die Vorteile der allmählichen Vergrößerung des Durchmessers sind besonders groß, wenn die Steigung einer solchen Vergrößerung relativ flach ist Innerhalb praktisch bedingter Grenzen nimmt die Fähigkeit des ersten Elementes 10, Druckbeaufschlagungen zu widerstehen, ohne zu reißen, mit geringer werdender Steigung der allmählichen Vergrößerung des Durchmessers zu.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Meßwandler mit einem ersten hohlen zylindrischen Element (10) aus Quarz und einem zweiten zylindrischen Element (12) aus Quarz, das in dem ersten Element (10) angeordnet ist, wobei die Endbereiche des zweiten Elementes (12) jeweils einen größeren Durchmesser aufweisen als der zwischen den Endbereichen liegende mittlere Bereich des zweiten Elementes (12) und die Endbereiche des zweiten Elementes (12) mit dem ersten Element dicht verschmolzen sind, wobei an der Oberfläche des mittleren Bereiches des zweiten Elementes (12) eine dünne leitende Schicht (46) und an der gegenüberliegenden Rache des ersten Elementes (10) eine weitere dünne leitende Schicht (36) vorgesehen sind, und wobei die Schicht (46) und die weitere Schicht (36) voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element (12) jeweils zwischen dem mittleren Bereich und den beiden Endbereichen zu den Endbereichen hin in einem Übergangsbereich (22) konisch verjüngt ist und daß der äußere Durchmesser des ersten Elementes (10) in einem Gebiet (18), das dem Übergangsbereich (22) gegenüberliegt, in Richtung zu den Endbereichen hin stetig vergrößert ist.