CH689877A5 - Piezoelektrisches Messelement. - Google Patents
Piezoelektrisches Messelement. Download PDFInfo
- Publication number
- CH689877A5 CH689877A5 CH00289/95A CH28995A CH689877A5 CH 689877 A5 CH689877 A5 CH 689877A5 CH 00289/95 A CH00289/95 A CH 00289/95A CH 28995 A CH28995 A CH 28995A CH 689877 A5 CH689877 A5 CH 689877A5
- Authority
- CH
- Switzerland
- Prior art keywords
- lanthanum
- crystal
- gallium
- measuring element
- silicate
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 19
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 6
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- -1 lanthanum niobium -Silicate Chemical compound 0.000 claims description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 2
- AJHQUQJABBRDOW-UHFFFAOYSA-N [Nb].[La] Chemical compound [Nb].[La] AJHQUQJABBRDOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 230000005616 pyroelectricity Effects 0.000 description 2
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009395 breeding Methods 0.000 description 1
- 230000001488 breeding effect Effects 0.000 description 1
- 229910000154 gallium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011032 tourmaline Substances 0.000 description 1
- 229940070527 tourmaline Drugs 0.000 description 1
- 229910052613 tourmaline Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
- G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P1/00—Details of instruments
- G01P1/006—Details of instruments used for thermal compensation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Messelement der Kristallklasse 32 zur Messung mechanischer Grössen, insbesondere Druck, Kraft und Beschleunigung, welches zwei planparallele Krafteinleitungsflächen besitzt, die im Wesentlichen parallel zu einer kristallographischen a-Achse angeordnet und derart zur c-Achse orientiert sind, dass die Temperaturabhängigkeit der piezoelektrischen Koeffizienten für die Transversalempfindlichkeit in einem Temperaturinterval wesentlich gegenüber derjenigen für die Longitudinalempfindlichkeit herabgesetzt wird. Mit fortschreitender Entwicklung hochtemperaturfester Materialien in vielen Bereichen der Technik ist es auch für die Messtechnik bezüglich der Messung physikalischer Grössen mittels piezoelektrischer Messelemente notwendig geworden, auch bei hohen Temperaturen ein stabiles Messverhalten zu zeigen. Als mögliche Materialien, die bei sehr hohen Temperaturen noch ein piezoelektrisches Verhalten zeigen, bieten sich Kristalle der Symmetrieklasse 3m, wie Turmalin, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat an. Alle diese Kristalle besitzen jedoch die Eigenschaft der Pyroelektrozität, was sich bei Hochtemperaturanwendungen als sehr störend bemerkbar macht. Sehr gute Eigenschaften, wie hoher thermischer Einsatzbereich und stabiles Messverhalten, zeigt Galliumorthophosphat, welches der Symmetrieklasse 32 zugehört. Nachteilig dabei ist, dass dessen Zucht sich als sehr kompliziert darstellt und ausreichende Verfügbarkeit deshalb nicht gegeben ist. Das Material ist ausserdem sehr teuer. Bekannt ist auch ein Kompensationsverfahren für Quarz, wie es beispielsweise in der AT-PS 319 632 beschrieben wird. Dort wird der positive Temperaturkoeffizient des Piezokoeffizienten d14 zur Kompensation des negativen Temperaturkoeffizienten des Piezokoeffizienten d11 genutzt und zur Erreichung einer minimalen Temperaturabhängigkeit des Transversalkoeffizienten d12 min für den orientierungswinkel alpha ein Wert zwischen 10 DEG und 40 DEG angegeben (entsprechend Fig. 1). Allerdings ist wegen des zu nehmend starken Abfalls von d11 zum Phasenumwandlungspunkt (573,3 DEG C) hin dessen Einsatz auf etwa 350 DEG C beschränkt. Ziel der Erfindung ist es also, ein piezoelektrisches Messelement zur Verfügung zu haben, welches die Nachteile der Pyroelektrizität und der Beschränkung durch eine Phasenumwandlung nicht besitzt und zusätzlich kostengünstig und leicht verfügbar ist. Erfindungsmässig werden diese Anforderungen dadurch erfüllt, dass das Messelement aus einkristallinem Lanthan-Gallium-Silikat, Lanthan-Gallium-Germanat, Lanthan/Neodymium-Gallium-Silikat, Lanthan-Niobium-Silikat, Lanthan-Gallium-Niobat oder Lanthan-Gallium-Tantalat besteht. Durch geeignete Wahl des Schnittwinkels des piezoelektrischen Messelementes bezüglich seiner kristallographischen Achsen kann erreicht werden, dass der Temperaturgang seiner piezoelektrischen Transversalempfindlichkeit wesentlich gegenüber dem der Longitudinalempfindlichkeit herabgesetzt wird. Erfindungsgemäss kann das z.B. dadurch erreicht werden, dass bei einem Messelement aus einkristallinem Lanthan-Gallium-Silikat (La3Ga5SiO14) der Orientierungswinkel alpha der Krafteinleitungsflächen zur kristallographischen c-Achse zur Minimierung des Temperaturganges seines piezoelektrischen Koeffizienten d12 min einen Wert zwischen 53 DEG und 88 DEG aufweist. In der einzigen Abbildung wird dem Koordinatensystem der "IEEE-Standard on Piezoelectricity 176-1978" zugrundegelegt, wobei die x-Achse mit einer kristallographischen a-Achse und die z-Achse mit der optischen c-Achse des piezoelektrischen Messelementes 1 zusammenfällt. Positive Drehungen um den Winkel alpha sind bei Achsendraufsicht als Drehung gegen den Uhrzeigersinn zu verstehen. Das gedrehte Koordinatensystem ist mit y min , z min bezeichnet, das um den Winkel a gedrehte Messelement mit 1 min . Für die Temperaturkompensation wird in Anlehnung an die eingangs genannte Patentschrift die unterschiedliche Temperaturabhängigkeit der Piezokoeffizienten d11 und d14 ausgenützt und der Winkel alpha so gewählt, dass die Transversalkoeffizienten d12 min oder d13 min im Wesentlichen temperaturunabhängig werden. Im vorliegenden Fall von Langasit hat sich gezeigt, dass, unterschiedlich zu Quarz, sowohl d11 als auch d14 positive Temperaturkoeffizienten besitzen. Überraschenderweise konnte trotzdem ein Orientierungswinkel gefunden werden, bei dem ein temperaturunabhängiges Verhalten der Transversalkoeffizienten erreicht werden kann. Bei Ausnutzung des Piezokoeffizienten d12 min , das heisst Kraftbelastung in y min -Richtung und Ladungsabnahme an den x-Flächen, liegt dieser Winkel im Bereich zwischen 53 DEG und 88 DEG . Äquivalent dazu ist die Ausnutzung des Piezokoeffizienten d13 min , das heisst Kraftbelastung in z min -Richtung und Ladungsabnahme an den x-Flächen, wobei sich in diesem Fall für den Winkel alpha ein Wert zwischen -2 DEG und 37 DEG ergibt. Weiters ist hervorzuheben, dass Langasit nicht pyroelektrisch ist und keinen Phasenübergang besitzt, sodass dessen Einsatz für messtechnische Zwecke auch über der Umwandlungstemperatur von Quarz bei 573,3 DEG C möglich ist. Diese vorteilhaften Eigenschaften bleiben erfindungsgemäss auch dann erhalten, wenn das Messelement aus einkristallinem Lanthan/Neodymium-Gallium-Silikat besteht, wobei der Gehalt an Neodymium durch La3-xNdxGa5SiO14 mit x = 0 bis 3 bestimmt ist. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das Messelement aus einkristallinem Lanthan-Gallium-Germanat (La3Ga5GeO14), Lanthan-Niobium-Silikat (La3Nb5SiO14), Lanthan-Gallium-Niobat der Summenformel La3Ga5,5Nb0,5O14 oder aus einkristallinem Lanthan-Gallium-Tantalat der Summenformel La3Ga5,5Ta0,5O14 besteht. In den beiden letzten Fällen wird der Siliziumanteil des Langasit zu im Wesentlichen gleichen Teilen durch die Elemente Gallium und Niobium bzw. Gallium und Tantal substituiert.
Claims (7)
1. Piezoelektrisches Messelement der Kristallklasse 32 zur Messung mechanischer Grössen, insbesondere Druck, Kraft und Beschleunigung, welches zwei planparallele Krafteinleitungsflächen besitzt, die im Wesentlichen parallel zu einer kristallographischen a-Achse angeordnet und derart zur c-Achse orientiert sind, dass die Temperaturabhängigkeit der piezoelektrischen Koeffizienten für die Transversalempfindlichkeit in einem Temperaturinterval wesentlich gegenüber derjenigen für die Longitudinalempfindlichkeit herabgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) aus einkristallinem Lanthan-Gallium-Silikat, Lanthan-Gallium-Germanat, Lanthan/Neodymium-Gallium-Silikat, Lanthan-Niobium-Silikat, Lanthan-Gallium-Niobat oder Lanthan-Gallium-Tantalat besteht.
2.
Kristallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Messelement (1) aus einkristallinem Lanthan-Gallium-Silikat (La3Ga5SiO14) der Orientierungswinkel alpha der Krafteinleitungsflächen zur kristallographischen c-Achse zur Minimierung des Temperaturganges seines piezoelektrischen Koeffizienten d12 min einen Wert zwischen 53 DEG und 88 DEG aufweist.
3. Kristallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) aus einkristallinem Lanthan/Neodymium-Gallium-Silikat besteht, wobei der Gehalt an Neodymium durch La3-xNdxGa5SiO14 mit x = 0 bis 3 bestimmt ist.
4. Kristallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) aus einkristallinem Lanthan-Gallium-Germanat der Summenformel La3Ga5GeO14 besteht.
5.
Kristallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) aus einkristallinem Lanthan-Niobium-Silikat der Summenformel La3Nb5SiO14 besteht.
6. Kristallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) aus einkristallinem Lanthan-Gallium-Niobat der Summenformel La3Ga5,5Nb0,5O14 besteht.
7. Kristallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) aus einkristallinem Lanthan-Gallium-Tantalat der Summenformel La3Ga5,5Ta0,5O14 besteht.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AT0023194A AT399778B (de) | 1994-02-07 | 1994-02-07 | Piezoelektrisches messelement |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CH689877A5 true CH689877A5 (de) | 1999-12-31 |
Family
ID=3485043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CH00289/95A CH689877A5 (de) | 1994-02-07 | 1995-02-02 | Piezoelektrisches Messelement. |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| AT (1) | AT399778B (de) |
| CH (1) | CH689877A5 (de) |
| DE (1) | DE19503355C2 (de) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH536561A (de) * | 1971-03-15 | 1973-04-30 | Kistler Instrumente Ag | Piezoelektrisches Kristallelement |
| AT389170B (de) * | 1987-11-19 | 1989-10-25 | Avl Verbrennungskraft Messtech | Piezoelektrisches messelement |
-
1994
- 1994-02-07 AT AT0023194A patent/AT399778B/de not_active IP Right Cessation
-
1995
- 1995-02-02 CH CH00289/95A patent/CH689877A5/de not_active IP Right Cessation
- 1995-02-02 DE DE19503355A patent/DE19503355C2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ATA23194A (de) | 1994-11-15 |
| DE19503355C2 (de) | 1997-03-27 |
| AT399778B (de) | 1995-07-25 |
| DE19503355A1 (de) | 1995-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wilson | On variance as a measure of line broadening in diffractometry general theory and small particle size | |
| Pertsev et al. | Equilibrium states and phase transitions in epitaxial ferroelectric thin films | |
| DE60206939T2 (de) | Spiraluhrwerkfeder und Verfahren zu deren Herstellung | |
| DE60012217T2 (de) | Zeitbezug mit einem integrierten micromechanischen ringresonator | |
| DE19808549B4 (de) | Mikromechanische Kammstruktur sowie Beschleunigungssensor und Antrieb mit dieser Kammstruktur | |
| DE1105920B (de) | Verwendung einer festen Loesung eines Bleititanat und Bleizirkonat als piezoelektrisches, keramisches Element | |
| AT401201B (de) | Piezoelektrisches messelement | |
| WO2016026612A1 (de) | Mikroakustisches bauelement mit verbesserter temperaturkompensation | |
| DE2207852C3 (de) | Piezoelektrisches Kristallelement | |
| DE69723957T2 (de) | Akustische oberflächenwellenanordnung | |
| CH689877A5 (de) | Piezoelektrisches Messelement. | |
| DE3324084C2 (de) | ||
| DE1558514B2 (de) | Verwendung einer metallischen, paramagnetischen legierung als werkstoff fuer unmagnetische federn und unmagnetische, mechanische schwingelemente | |
| JPS647032B2 (de) | ||
| DE1646698B1 (de) | Piezoelektrische keramik | |
| EP3613065A1 (de) | Schichtwiderstand und dünnfilmsensor | |
| Sorge et al. | Optical investigations of LiKSO4 single crystals in the temperature range between 150 up to 730 K | |
| DE2116351A1 (de) | Ferromagnetische Calcium-Vanadin-Granatverbindungen | |
| DE1940974C3 (de) | Piezoelektrische Keramik | |
| DE10006241A1 (de) | Substratplättchen aus Langasit/Langatat mit einem Kristallschnitt mit hohem Kopplungsfaktor und niedriger Ausbreitungsgeschwindigkeit für Oberflächenwellen | |
| DE4229449A1 (de) | Faseroptischer Quarz-Spannungs-Sensor | |
| AT393183B (de) | Piezoelektrisches kristallelement und verfahren zur herstellung desselben | |
| DE69322480T2 (de) | Piezoelektrisches Filter und Verfahren zu seiner Herstellung | |
| Wen-Chen | Investigation of the splittings of 4A2 and 2E states for Cr3+ in a tetragonal SrTiO3 crystal | |
| Kuwabara et al. | Giant piezoresistive effects in single grain boundaries of semiconducting barium titanate ceramics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PUE | Assignment |
Owner name: PIEZOCRYST ADVANCED SENSORICS GMBH Free format text: AVL GESELLSCHAFT FUER VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN UND MESSTECHNIK MBH#PROF. DR. DR. H.C. HANS LIST KLEISTSTRASSE 48#GRAZ (AT) -TRANSFER TO- PIEZOCRYST ADVANCED SENSORICS GMBH#HANS-LIST-PLATZ 1#8020 GRAZ (AT) |
|
| PCAR | Change of the address of the representative |
Free format text: ISLER & PEDRAZZINI AG;POSTFACH 1772;8027 ZUERICH (CH) |
|
| PL | Patent ceased |