DE2746712C3 - Piezoelektrischer Resonator - Google Patents

Piezoelektrischer Resonator

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Resonator für Meßwertaufnehmer, wie z. B. Druck-, Beschleunigungs-, Temperaturgeber urd Lastmeßzellen, bestehend aus einem Resonator-Kern, der an zwei gegenüberliegenden Seiten Haltestücke aufweist, die aus Festkörnerschichten gebildet sind. Das Kernstück besteht in der Regel aus einer Einkristallscheibe oder aus mehreren Einkristallscheiben, kann jedoch auch aus Piezokeramik mit hinreichend niedrigen Verlusten aufgebaut sein.
Piezo-Resonatoren, insbesondere Schwingquarze, wurden bisher sch-m für Meßwertaufnehmer für verschiedene physikalische Meßgrößen, wie z. B. Temperatur und Druck, verwendet, siehe »The crystal resonator - a digital transducer«. D. L Hammond. A. Benjaminson, IEEE spectrum April 1969, S. 53 - 58. Die Vorteile, die sich auf den genannten Einsatzgebieten durch die Verwendung piezoelektrisch angetriebener mechanischer Resonatoren ergeben, sind nicht zuletzt eine Folge der hohen erzielbaren Werte für die Resonatorgüte, die die mit elektrischen Schwingkreisen erreichbaren Gütewerte um mehrere Größenordnungen übertreffen. Diese hohe Resonatorgüte wird bei den bekannten Piezo-ResonatoreT für Meßwertaufnehmer durch Totalreflexion der piezoelektrisch ange regten Schallwelle an dem den Re^oiiator umgebenden Hochvakuum bzw. verdünnten Gas erreicht. Da jedoch mittels des genannten, als ideal »schallweich« zu bezeichnenden, akustischen Abschlußmediums Hochvakuum bzw. Gas. keine mechanische Halterung des Resonators möglich ist. wurde die Halterung getrennt an Stellen verschwindender Schwingungsamphtiide bzw. möglichst punktförmig ausgeführt. Diese Form der Halterung erlaubt jedoch keine gegenüber Frschütte rungen robuste Ausführung des Meßwertaufnehmers bzw. erlaubt sie z. B. beim Druckaufnehmer abgesehen von exhorbitant hohen Herstellungsschwio rigkeiten bzw. flerstellungspreis — keine homogene Druckspannungsverteilung im Schwingquarz.
/ur Vermeidung dieser Nachteile ist vorgesehen, daß der Resonator Kern an zwei gegenüberliegenden Seiten Haltestücke aufweist, die durch Festkörper schichten gebildet sind, deren Abmessungen gemäß der F.rfindting in Ausbrcitungsrichtiing der piezoelektrisch angeregten Schallwelle ein η faches von '/4, wo η eine ganze ungerade Zahl ist, der der Resonanzfrequenz des Resonators entsprechendenl SchäHwelfenlänge L in der betreffenden Schicht betragen, und die abwechselnd aus Materialien ftiii stark unterschiedlicher spezifischer akustischer Impedanz bestehen. Bei dieser Halterüngseinrichtung, die als »Safidwich-I inllcr« bezeichnet werden kann, erfolgt die Halterung des Resonator-Kerns großflächig durch die Feslkörperschichten. Diese
Schichten wirken als Transformationsschichten, die es erlauben, die akustische Impedanz des außerhalb des Halters befindliehen Mediums auf einen beliebigen Wert zu transformieren. Der Wert von π kann vorzugsweise »1« betragen.
Durch die Aufeinanderfolge von Schichten aus Materialien mit stark unterschiedlicher spezifischer akustischer Impedanz wird nach den Gesetzen der Akustik eine extrem hohe bzw. eine extrem niedrige akustische Abschlußimpedanz erzielt, welche eine fast verlustfreie Reflexion der im Resonator erzeugten Schallwelle, also eine Quasi-Totalreflexion bewirkt. Die erfindungsgemäß aufgebauten Haltestücke fungieren als »akustische Spiegel«, welche nahezu die gesamte im Resonator gespeicherte Blindenergie auf den Resona- H tor-Kern konzentrieren. Dadurch wird ein Resonator hoher Güte mit einer großflächigen, mechanisch robusten Halterung erreicht. Der Resonator-Kern kann dabei, wie bisher üblich, aus einem Einkristallstück aus z. B. Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat beste- ->» hen, kann aber auch aus mehreren solchen Stücken aufgebaut sein. Es ist auch denkbar, statt p>- zoeleKtrischer Einkristalle piezokeramische Werkstoffe mit hinreichend niedrigen akustischen Verlusten /u verwenden 2Ί
I s kann sich dabei als vorteilhaft erweisen, wenn mindestens einzelne der genannten Schichten aus mehreren Lagen aus Materialien gleicher akustischer Impedanz oder aus dem gleichen Material aufgebaut sind. Eine Lage ist dabei jeweils aus einem einzigen, in u> sich homogenen Material aufgebaut.
Auch können zusätzliche Schichten, deren Abmessungen in Ausbreitungsrichtung der piezoelektrisch angeregten Schallwelle '/2 oder ein ganzzahliges Vielfaches von '/2 der der Resonanzfrequenz des Resonators r> entsprechenden Schallwellenlänge in der betreffenden Schicht betragen, zwischengeschaltet sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die äußerste Schicht der Haltesiucke. also die vom Resonator-Kern am weitesten entfernte Schicht, aus 4< > Material mit gegenüber der nachfolgenden Schicht höherer akustischer Impedanz bestehen, wodurch vorteilhaft eine geringe .Schichtenanzahl bei hoher Güte des Resonators ermöglicht wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können 4ϊ die ungeradzahligcn und die geradzahligen Festkörperschichten der Haltestücke je aus demselben Material bestehen, was eine Vereinfachung der Hersiellung der Halterung ergibt.
Für die Verwendung Jes Resonators als Druckauf- ίο nehmer wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen. JaB zur Tempeiaturkompensation der Resonanzfrequenz eine Kompensationsschicht vorgesehen ist. die mindestens an einer der Schichten längs einer zur Ausbreitungsrichtung der piezoelektrisch angeregten r>> Schallwelle senkrecht stehenden Fläche anschließt und deren Abmessung in Ausbreitungsrichtung der piezoelektrisch angeregten Schallwelle eine halbe oder ein ganzzahliges Vielfaches von einer halben Wellenlänge in dieser Schicht beträgt und deren Temperaturausdeh mi ntingskoeffizient so gewählt ist, daß die Resonanzfrequenz praktisch tetnpcralurunabhängig ist.
Umgekehrt können für die Verwendung des Resonators als Temperaturaufnehmer in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Temperaturkoeffizienten der Materialien der aus Resonator Und Gehäuse bestehenden Gesamtanordnun*: so gewählt sein, daß bei Temperaturänderungen Druckänderungen am Resonator-Kern entstehen, welche die Temperaiurempfindlichkeit der Resonanzfrequenz des Resonator-Kern·» ergeben bzw. erhöhen. Dabei werden zweckmäßig die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien und die Konstruktion so gewählt, daß eine starke Druckänderung auf den Resonator als Folge einer Temperaturänderung zustande kommt
Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Sandwich-Resonators in der Meßwertaufnehmer-Anwendung ist die vollkommen homogene Druckbeanspruchung des Resonator-Kerns; beim Temperaturaufnehmer kommen als Vorteile noch hinzu die großflächige Wärmeübertragung auf das Sensorelement und die hohe erzielbare Temperaturempfindlichkeit, beim Druckaufnehmer im Vergleich mit den bisher verwendeten Resonatorkonstruktionen noch die Vorteile eines wesentlich einfacheren Aufbaus, einer wesentlichen Verringerung der Abmessung und eines noch höheren Druckbereichs.
Die /74-Schichten können bei größeren Abmessungen aus Blechen tvw Folien oder arch aus vtabförmigem Rohmaterial hergestellt werden. Bei hohen Miniaturisierungsanforderungen können die
U4 Schichten bzw. die Lagen in Weiterbildung der F.rfmdung durch Aufdampfen oder galvanisch auf den Resonator-Einkristall aufgebracht werden. In diesem Fall kann bei der Anwendung des Sandwich-Resonators zur Frequenzstabilisierung, z. B. in elektronischen Armbanduhren, das teure Resonatorgehäuse entfallen, da der Sandwich-Resonator nicht im Vakuum betrieben werden muß. Es ist auch denkbar, die Haltestücke oder auch die einzelnen Zy4-Schichien oder auch die lagen getrennt vom Resonator-Kern durch Auldampfen oder galvanisch herzustellen
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zur Verringerung der akustischen Verluste in den Grenzschichten die Haftung der Schichten bzw Lagen untereinander und/oder am Resonator Kern durch Aufdampfen oder Aufgalvanisieren einer im Verhältnis zu den Abmessungen der Schichten sehr dünnen Ha'tschicht erhöht werden. Als Material fur diese Haftschichten kommt z. B. Gold in Frage. Line gute Haftung der Schichten bzw. Lagen untereinander und/oder am Resonator-Kern kann als letzte Ausgestal tung der Erfindung auch durch Epitaxie erreicht werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. I ein Ausführungsbeispiol eines Druckaufnehmers im Axialschnitt und
F i g. 2 und 3 ein um 90 gedrehtes Detail daraus in zwei Ausführungsvarianten.
Der Druekaufnehmer beinhaltet einen piezoelektrischen Sandwich-Resonator 12. Der Sandwich-Resonator ist zwischen dem ein ganzzahliges Vielfaches von /72 dicken Membranteil 11 aus rostfreiem Stahl auC der in der F t g I unteren Seite und dem an dieser Stelle ein ganzzahliges Vielfaches von /72 dicken Gehäusekörper 14 aus rostfreiem Stahl auf der in der F i g. 1 oberen Seite gehaltcrt. w bei an der oberen Seile noch ein lJ2 dickes Isolierstück 13 aus Quarzglas zur elektrischen Isolation des Haltestückes 20' zwischengeschahet ist. Dadurch, daß die Druckübertragung auf c'en Sandwich-Resonator über Ul bzw. ein Vielfaches von Ul dicke Gehäuseflächeh erfolgt, schließt die akustische Impedanz des umgebenJen Mediums direkt an die beiden ersten /./^-Schichten des Sandwich-Resonators an, wie es in der weiter unten angeführten schematischen Behandlung angenommen wurde.
Das Isolicrröhrchcn 9 dient der Isolierung der Elektroclcnzuführmig 10 vom Gehäuse 15. Diese isolierte Zuführung, die zum gleichzeitig als Elektrode dienenden HallCstück 20' führt, ist an den Innenleiter des Tcflon-KoaSciaikäbels 16 angeschlossen; die Abschirmung des Koaxialkabels ist mit Hilfe des Weichlots 8 über die ZugeritlasUingsscheibc 7, den Gehäusekörper 14 und den Membranteil 11 mit dem ebenfalls gleichzeitig als Elektrode dienenden Hallestück 20 verbunden. Die Zugenllastungsscheibe 7 aus Messing wird durch die Messing-Distanzhülse 6 und das Abschlußstück 5 aus rostfreiem Stahl an den Gchäusckörpcr 14 gepreßt. Das Gehäuse 15 besteht aus dem Gehäusekörper 14, dem Isolierstück 13, dem Membranteil II sowie aus dem Abschlußstück 5.
Zur Verdeutlichung ist der eigentliche Sandwich-Ucsonator 12 in F i g. 2 bzw. F i g. 3 in schcmatischer Form vergrößert dargestellt. F i g. 2 zeigt den Fall, bei dem die Zahl /V der in jedem Haiiesiüek !9, iS' verwendeten L/t-Schichten 1—3 ungerade ist. Fig.3 zeigt den Fall. 2ö bei dem die Zahl N der in jedem Haltestück 20, 20' verwendeten L/l-Schichten 1—4 gerade ist (im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist /V= 4). Die Zahl m gibt an, auf der wievielten Harmonischen der Resonator-Kern beirieben wird (im Ausführungsbeispiel ist /H=S), 23 bezeichnet den Resonator-Kern (im Ausführungsbeispiel eine Quarzeinkristallscheibe) der Dicke niL/2. A eine L/4-Schicht mit möglichst hoher akustischer Impedanz (im Ausführungsbeispiel Wolfram W), B eine ^-Schicht mit möglichst niedriger Jo akustischer Impedanz (im Ausführungsbeispiel eine Magnesium-Legierung mit 7,5% Al und 1.1% Zn). Weiters wurde der Druck, mit dem der Sandwich-Resonator zusammengepreßt wird, mit P bezeichnet. Zur Verdeutlichung der Funktionsweise ist oberhalb des Resonator-Kerns noch der jeweilige Amplitudenverlauf der Schwingung für m= 1 eingezeichnet: die mechanische Amplitude des Resonators wurde dabei mit a, der Abstand von der vertikalen Symmetrieachse mit Ai bezeichnet. In Fig. 2 ist auch eine an die Außenfläche 21 des Haltestücks 19 anschließende L/l dicke Kompensa-
eingefügte IJ2 dicke Zwischenschicht 18'. sowie eine aus 2 Lagen 3' aufgebaute Schicht 3 abgebildet.
In Fig. 3 ist noch die Anordnung der sehr dünnen Haftschichten 22 eingezeichnet.
Im folgenden wird die Vorgangsweise bei der Dimensionierung des Sandwich-Resonators beschrieben. Die transformierende Wirkung der ersten L/4-Schicht läßt sich durch die Beziehung
ζ, = z4 2/zo
darstellen, wobei zo die spezifische akustische Impedanz des den Halter umgebenden Mediums, Za die spezifische akustische Impedanz der ersten ^-Schicht und Z\ die durch diese Transformations-Schicht erzeugte Impedanz bezeichnet. Die folgenden beiden Gleichungen geben die bei der Hintereinanderschaltung von N jL/f-Schichten erzeugte Impedanz an:
zN - JyJ1 — , /V ungerade
55
Resonator-Kern kann als longitüdinalcr Dickcnsehwinger (Anregung einer longiludinalen, stehenden Schallwelle normal auf die Fläche größler Ausdehnung), als Dickcnscherschwinger (Anregung einer transversalen Schallwelle in Richtung normal auf die Fläche größter Ausdehnung), aber auch als sog. FlächenscherSchwingci·, Öiegeschwingcr, Torsionsschwinger und stabförmigcr Longiludinal-Scliwinger (Anregung einer Longitudinalwelle in Längsrichtung) betrieben werden. Je nach der angeregten Schwinguhgsform müssen die L/4-Schichtcn für die jeweils zutreffende Phascngcschwindigkeil dimensioniert werden, ebenso sind in den Beziehungen für die Errechnung der spezifischen Impedanz
2Λ = D,\ ■ u.\ bzw. an = Du ■ tin
für im bzw. Ua die Phasengeschwindigkeiten der Longitudinal-, Transversal-, Biege-, Torsions- oder Dehnungsweüe im beirachieieii tvicciium einzusetzen. (D.\ bzw. Dasind die betreffenden Materialdichten.)
Im Druckgeber-Ausführungsbeispiel wird ein Quarzkristall als longitudinaler Dickenschwinger betrieben, die beiden Haltestücke 19, S9' bzw. 20, 20' sind aus metallischen Schichten aufgebaut und können daher gleichzeitig als Elektroden verwendet werden. Bei Druckgebern, bei denen es auf kleinen Durchmesser ankommt, kann es zweckmäßiger sein, den Resonator als Bivge-, Torsions- oder stabförmigen Longitudinal-Schwinger auszubilden. In diesem Fall wird die L/4-Abmessung im allgemeinen in die Längsrichtung der Schichten fallen und die Elektroden getrennt auf den Resonator-Einkristall anzubringen sein.
Die mit der jeweiligen Zahl von ^-Schichten erzielbare Resonatorgüte läßt sich aus den bisherigen Gleichungen und dem Transmissionsgrad
Γ= 1 -(ZN- ZqYZ(ZN+ Z0)2
des Sandwich-Abschlusses berechnen, zq bedeutet dabei die spezifische akustische Impedanz des Resonator-Einkristalls in der Ausbreitungsrichtung der angeregten aknctisrhpn WpIIp In Hpr fnlorpnripn Tiihclle sind die theoretischen, d. h. unter Vernachlässigung der inneren akustischen Verluste, Werte für die zn und die sich theoretisch ergebenden Gütewerte (?wfurdas Druckgeber-Ausführungsbeispiel
(zA = zu = 100.75 - IO5 g/cm2 s,
zb = ZMgAiZn = 10,04 - 105g/cm2s)
angegeben.
zN (g/cnrs)
1.02 · ΙΟ4
9,93 - ΙΟ2
1,02· 10"
9,86 ■ 10°
1.03 · 10u
9,79 - ΙΟ"2
1,04-ΙΟ15
19500
33300
1960000
3350000
197000000
ze
ze
£,y = —■ν ' 2o, N gerade
■ν
-A
Der gegenständliche Sandwich-Resonator eignet sfch für alle bekannten Schwingungsmoden, d. h. der Daraus folgt bereits für Λ/=5 ein Gütewert in der für herkömmlich gehalterte Präzisions-Vakuumquarze üblichen Größenordnung. Dabei wurde die spezifische Impedanz 20 mit 1 - 105g/cm2s angenommen, in der Praxis liegt dieser Wert noch günstiger. Da das den
Halter umgebende Medium in der Regel gasförmig oder flüssig ist, Verschwindet zb für transversale Schallwellen überhaupt.
In der Praxis ergeben sich als Folge der inneren akustischen Verluste in den L/4-Schichten und wegen der Verluste in deli Grenzschichten etwas niedrigere als die in der Tabelle angeführten Gütewerte. Diese
zusätzlichen Verluste fallen bei einem auf einer höheren Ffarmoniscfieft Betriebenen ResönäfoF'Einkrisfäll weniger ins Gewicht, da ein solcher in Richtung der piezoelektrisch angeregten Schallwelle eine relativ zu den Haltcstücken größere Abmessung aufweist. Aus diesem Grunde Wurde beim Ausführungsbeispiel m^s gewählt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Piezoelektrischer Resonator für Meßwertaufnehmer bestehend aus einem Resonator-Kern, der an zwei gegenüberliegenden Seiten Haltestücke aufweist, die aus Festkörperschichten gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen dieser Schichten (1 -4) in Ausbreitungsrichtung (x) der piezoelektrisch angeregten Schallwelle in ein /7-faches von '/■», wo η eine ganze ungerade Zahl ist, der der Resonanzfrequenz des Resonators (12) entsprechenden Schallwellenlänge in der betreffenden Schicht betragen, und die abwechselnd aus Materialien mit stark unterschiedlicher spezifischer akustischer Impedanz bestehen.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einzelne (3) der genannten Schichten ('. — 4) aus mehreren Lagen (3') aus Materialien Reicher akustischer Impedanz oder aus dem gleicher: Materia! aufgebaut sind.
3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Schichten (18'), deren Abmessungen in Ausbreitungsrichtung der piezoelektrisch angeregten Schallwelle Ui oder ein 2ί ganzzahliges Vielfaches von '/: der der Resonanzfrequenz des Resonators entsprechenden Schallwellenlänge in der betreffenden Schicht betragen, zwischengeschaltet sind.
4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Schicht (1) der I laliestucke (19,19' bzw. 20,20') aus Material mit gegenüber der nachfolgenden Schicht (2) höherer spezifischer akustischer Impedanz besteht.
5. Resonator nach einem der \nsprüche 1 bis 4. r> dadurch gekennzeichnet, daß die ungeradzahligen (1.3) und die geradzahligen (2, 4) Festkörperschichten der Halteslücke (19. 19' bzw. 20, 20') je aus demselben Material bestehen.
b. Resonator nach einem der Ansprüche I bis 5 fur Druckaiifnehmer. dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz eine Kompensationsschicht (18) vorgesehen ist. die mindestens an einer der Schichten (1—4) längs einer tür Ausbreitungsrichtiing (\) der piezoelektrisch 4Ί angeregten Schallwelle senkrecht stehenden Fläche (21) anschheßl und deren Abmessung in Ausbreitungsru hliing der piezoelektrisch angeregten Schallwelle eine halbe "der ein ganzzahliges Vielfaches von einer halben Wellenlänge in dieser jo Schicht beträgt und deren Temperaturausdehnungs koeffizient so gewählt ist. daß die Resonanzfrequenz praktisch temperatiininabhängig ist.
7. Resonator nach einem der Ansprüche I bis 5 für Temperaiuraufnehmer. dadiin h gekennzeichnet, ίί daß die Temperaturaii'idehniingskoeffizienten der Materialien der aus Resonator (12) und Gehäuse (15) bestehenden (iesamtanordniing so gewählt sind, daß bei Temperaturänderungcn Druckänderungen am Resonator Kern entstehen, welche die Temperatur Mi empfindlichkeit der Resonanzfrequenz des Resonator-Kerns (23) ergeben bziWi erhöheni
8. Resonator nach einem der* Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Schichten (1—4) bzw. Lägen (3') der Haltestücke (19* 19' bzw, 20, 20') durch Aufdampfen oder galvanisch hergestellt Sind.
9. Resonator nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, düß die Haftung von Schichten (1—4) bzw. Lagen (3') untereinander und/oder am Resonator-Kern (23) durch Aufdampfen oder Aufgalvanisieren einer im Verhältnis zu den Abmessungen der Schichten (1—4) sehr dünnen Haftschicht (22) erhöht ist.
10. Resonator nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine gute Haftung der Schichten (1—4) bzw. Lagen (3') untereinander und/oder am Resonator-Kern (23) durch Lpitaxie erreicht ist
11. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß /7= 1 ist.
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