DE2103237A1

DE2103237A1 - Piezoelectric pressure probe

Info

Publication number: DE2103237A1
Application number: DE19712103237
Authority: DE
Inventors: Ernst-Günter Dipl.-Phys.Dr.; Bonnet Dieter Dipl.-Phys.Dr.; 6236 Eschborn; Hansen Erich Hans 6091 Weilbach; Hellmiß Günter Dipl.-Phys.Dr. 6000 Frankfurt Lierke
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1971-01-25
Publication date: 1972-08-24
Also published as: FR2124747A5; CH533300A; NL7200054A

Description

KDB/SC - 56/70KDB / SC - 56/70

386-65 11. Januar 1971386-65 January 11, 1971

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Piezoelektrische DrucksondePiezoelectric pressure probe

Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Drucksonden und insbesondere Sonden in Miniaturausführung.The present invention relates to piezoelectric pressure probes and particularly miniature probes.

Derartige Drucksonden werden als Hydrophone zur Messung alternierender Drucke in Flüssigkeiten im Frequenzbereich 0 Hz bis etwa 1 MHz eingesetzt. Sie sollen die punktweise Ausmessung von Schall- und Ultraschallfeldern mit mehr oder weniger starken räumlichen oder zeitlichen Änderungen (z.B. Nahfeld von Einzel- und Gruppenstrahlern) ermöglichen, ohne selbst das Schallfeld merklich zu stören. Sie müssen deshalb bei hinreichender Empfindlichkeit möglichst kleineSuch pressure probes are used as hydrophones for measuring alternating pressures in liquids in the frequency range 0 Hz to about 1 MHz are used. You should measure the point-by-point measurement of sound and ultrasonic fields with more or enable less pronounced spatial or temporal changes (e.g. near field of single and group radiators) without noticeably disturbing the sound field. They must therefore be as small as possible with sufficient sensitivity

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räumliche Ausdehnung, eine möglichst breitbandige konstante Spannungs-Druck-Empfindlichkeit (bzw. Ladungs-Druck-Empfindlichkeit) und eine möglichst kugelförmige Richtcharakteristik (im interessierenden Frequenzbereich) besitzen. Außerdem sollen sie mechanisch unempfindlich, d.h. im Bedarfsfalle bei hohen Druckspitzen (z.B. Stoßwellen) einsetzbar sein, einen möglichst großen Dynamikbereich (Abstand zwischen Rauschgrenze und dem Schwellwert für nichtlineare Verzerrungen) haben und einen niedrigen Ausgangswiderstand besitzen, der u. U. eine Signalübertragung über längere Kabel zu einer entsprechenden hochohmigen Meßstelle (Röhrenvoltmeter oder Oszillograph) gestattet.Spatial expansion, a constant voltage-pressure sensitivity (or charge-pressure sensitivity) as broad as possible and have a directional characteristic that is as spherical as possible (in the frequency range of interest). aside from that they should be mechanically insensitive, i.e., if necessary, they should be able to be used at high pressure peaks (e.g. shock waves), the largest possible dynamic range (distance between the noise limit and the threshold value for non-linear distortions) and have a low output resistance, which may result in signal transmission over longer cables to a Appropriate high-resistance measuring point (tube voltmeter or oscilloscope) is permitted.

Handelsüblich sind piezoelektrische Drucksonden, die aus piezokeramischen Hohlzylindern (z.B. aus Bleizirkonat-titanat (PZT5 der Firma Clevite)) aufgebaut sind, deren äußerer Durchmesser 1 mm aus Herstellungsgründen nicht unterschreiten kann. Dadurch ist ihr Einsatz auf Frequenzen bis etwa 1 MHz beschränkt. Die Wellenlänge in den meisten Flüssigkeiten ist bei 1 MHz etwa 1,5 mm, so daß Sonden mit Durchmessern von 1 - 2 mm das Schallfeld an der Meßstelle störend beeinflussen und wegen der Nähe der Sondenresonanz eine originalgetreue Wiedergabe von stark Oberwellenhaltigen Druckschwankungen verhindern.Piezoelectric pressure probes made of piezoceramic hollow cylinders (e.g. made of lead zirconate titanate) are commercially available (PZT5 from Clevite)) whose outer diameter is not less than 1 mm for manufacturing reasons can. As a result, their use is limited to frequencies up to around 1 MHz. The wavelength in most liquids is at 1 MHz about 1.5 mm, so that probes with a diameter of 1 - 2 mm interfere with the sound field at the measuring point and because of the proximity of the probe resonance, a faithful reproduction of pressure fluctuations containing strong harmonics impede.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Drucksonde zu entwickeln, die in kleinerer Ausführung als die vergleichbaren bekannten Drucksonden hergestellt werden kann.The invention is therefore based on the object of developing a piezoelectric pressure probe that is smaller in size Made as the comparable known pressure probes can be.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer piezoelektrischen Drucksonde gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus einer beidseitig mit Elektroden versehenen M dünnen Schicht eines piezoelektrischen Materials besteht, wobei die beiden Elektroden und die dünne piezoelektrische Schicht auf einem Träger aufgedampft sind.According to the invention, this object is achieved with a piezoelectric pressure probe, which is characterized in that it consists of a M thin layer of a piezoelectric material provided with electrodes on both sides, the two electrodes and the thin piezoelectric layer being vapor-deposited on a carrier.

Nach einer Ausführungsart der Erfindung ist die mit den Elektroden versehene piezoelektrische Schicht auf einem Taylordraht aufgedampft, der im wesentlichen aus einem mit Glas ummantelten Metalldraht besteht, wobei die innere Elektrode elektrisch leitend mit dem Metalldraht verbunden > ist. ™According to one embodiment of the invention with the Electrodes provided piezoelectric layer vapor-deposited on a Taylor wire, which consists essentially of a with glass-coated metal wire, the inner electrode is electrically connected to the metal wire> is. ™

Die piezoelektrische Schicht kann aus Kadmium-Sulfid, Zinkoxid oder aus ähnlichen Materialien bestehen. Die Dicke dieser Schicht liegt dabei zwischen etwa 1 und 40 ,um.The piezoelectric layer can be made of cadmium sulfide, zinc oxide or made of similar materials. The thickness of this layer is between about 1 and 40 μm.

Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren nach der Erfindung besteht darin, daß die Elektroden und die piezoelektrische Schicht zunächst nacheinander auf eine Trägerfolie aufge-An advantageous manufacturing method according to the invention is that the electrodes and the piezoelectric First one after the other on a carrier film.

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dampft.werden, die dann ein- oder mehrlagig auf den Träger aufgewickelt wird.steamed, which are then applied in one or more layers to the carrier is wound up.

Veitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsraöglichkeiten gehen aus der folgenden Darstellung sowie aus den beigefügten Abbildungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor.Other features, advantages and possible uses go from the following illustration and from the accompanying figures of exemplary embodiments of the invention emerged.

Es zeigen in schematischer Vereinfachung Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine DrucksondeIn a schematic simplification, FIG. 1 shows a longitudinal section through a pressure probe

nach der Erfindung,
Fig. 2 die Anordnung einer Drucksonde gem. Fig. 1 in einer Injektionsnadel, undaccording to the invention,
Fig. 2 shows the arrangement of a pressure probe according to Fig. 1 in an injection needle, and

Fig· 3 eine weitere Ausführungsart einer Drucksonde nach der Erfindung.Fig. 3 shows another embodiment of a pressure probe according to the invention.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsart der Erfindung, bei der als Träger für das piezoelektrische Material ein sogenannter "Taylordraht" vorgesehen ist, welcher im wesentlichen aus einem mit Glas 2 ummantelten Metalldraht 1 besteht. Auf einem Ende eines solchen Taylordrahtes werden nacheinander eine nur wenige Sngströmeinheiten dicke Innenelektrode 3, eine dünne Schicht 4 aus piezoelektrischem Material mit einer Dicke von 1 bis 40 ,um und schließlich eine Außenelektrode 5 isoliert von der Innenelektrode 3 aufgedampft. Zum elektrischen Anschluß der erfindungsgemäßenFig. 1 shows a preferred embodiment of the invention, in which a carrier for the piezoelectric material So-called "Taylor wire" is provided, which essentially consists of a metal wire 1 sheathed with glass 2 consists. Be on one end of such a Taylor wire one after the other an inner electrode only a few sngstrom units thick 3, a thin layer 4 of piezoelectric material with a thickness of 1 to 40 µm and finally an outer electrode 5 insulated from the inner electrode 3 by vapor deposition. For electrical connection of the invention

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Drucksonde ist die Innenelektrode 3 galvanisch mit dem Metall des Taylordrahtes verbunden,während die Außenelektrode 5 mit einem über den Draht geschobenen Metallröhrchen. 6 leitend zusammengefügt wird. Die Elektroden 3,5 können beispielsweise aus Gold bestehen. Als piezoelektrisches Material wurde bei der dargestellten Ausführungsart der Erfindung Kadmium-Sulfid oder Zinkoxid verwendet.Pressure probe, the inner electrode 3 is galvanically connected to the metal of the Taylor wire, while the outer electrode 5 with a metal tube pushed over the wire. 6 is joined together conductively. The electrodes 3.5 can for example consist of gold. As a piezoelectric material in the embodiment shown of the invention uses cadmium sulfide or zinc oxide.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der erfindungsgemäßen Drucksonde in medizinischen Injektionsnadeln oder Kanülen, die an ihren freien Enden doppelseitig (a in Fig. 2) oder einseitig (b in Fig. 2) angeschrägt sind. Die Kanüle 6a, 6b dienen nicht nur zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mit der Außenelektrode 5, sondern verleihen der erfindungsgemäßen Drucksonde die für verschiedene Anwendungsfälle erforderliche mechanische Stabilität. Außerdem ist es möglich, mit einer geeigneten elastischen Schicht zwischen den Metallröhrchen bzw. den Kanülen 6a oder 6b und der Sonde den Druck auf die gesamte druckempfindliche Fläche der erfindungsgemäßen Sonde zu übertragen.Fig. 2 shows the arrangement of the pressure probe according to the invention in medical injection needles or cannulas that indicate their free ends are bevelled on both sides (a in Fig. 2) or on one side (b in Fig. 2). The cannula 6a, 6b are used not only for producing an electrically conductive connection with the outer electrode 5, but also give the invention Pressure probe the mechanical stability required for various applications. Besides, it is possible, with a suitable elastic layer between the metal tubes or the cannulas 6a or 6b and the Probe to transmit the pressure to the entire pressure-sensitive surface of the probe according to the invention.

Bei einfachen Schallfeldmeesungen in Flüssigkeiten kann der piezoelektrische Teil der Drucksonde ungeschützt aus dem Metallröhrchen 6 herausragen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.With simple sound field measurements in liquids, the piezoelectric part of the pressure probe can be unprotected from the Metal tubes 6 protrude, as shown in FIG. 1.

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Anstatt die piezoelektrische Schicht 4 direkt auf den Taylordraht aufzudampfen, kann man auch eine mit Piezomaterial und den entsprechenden Elektroden bedampfte dünne Trägerfolie ein- oder mehrlagig auf den Taylordraht oder ein ähnliches, Stabilität verleihendes Röhrchen oder Drähtchen aufwickeln (Fig. 3). In diesem Falle wird der Ausgangswiderstand der Sonde erheblich herabgesetzt.Instead of evaporating the piezoelectric layer 4 directly onto the Taylor wire, one can also use one with piezo material and the corresponding electrodes vapor-deposited thin carrier film in one or more layers on the Taylor wire or Wind up a similar, stability-giving tube or wire (Fig. 3). In this case the The initial resistance of the probe is significantly reduced.

Als vorteilhaft hat sich die Verwendung einer CdS-Schicht als piezoelektrischem Wandler erweisen. Die auf beliebige Substrate aufgedampften Schichten kristallisieren im hexagonalen Gitter (Wurtzit). Sie weisen bei Schichtdicken über 1000 S eine ausgeprägte Textur auf. Die hexagonale c-Achse ist senkrecht zur Substratebene ausgerichtet. Druckänderungen entlang der c-Achse bewirken Ladungsverschiebungen in dieser Richtung. Für den piezoelektrischen Koeffi-The use of a CdS layer has proven to be advantageous turn out to be a piezoelectric transducer. The layers vapor-deposited onto any substrate crystallize in the hexagonal grid (wurtzite). With layer thicknesses of more than 1000 S they have a distinctive texture. The hexagonal c-axis is aligned perpendicular to the substrate plane. Changes in pressure along the c-axis cause charge shifts in this direction. For the piezoelectric coefficient

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zienten erhält man d~₃ « 10,3.10 C/N; dies liegt in der Größenordnung deS; piezoelektrischen Koeffizienten von Quarz. Je nach den Aufdampfbedingungen (Trägertemperatur, Verdampfung von CdS bzw. von CdS und S) erhält man Abweichungen von der stöchiometrischen Zusammensetzung (Cd-Überschuß). Dies hat zur Folge, daß sich der spezifische Widerstand der Schichten in weiten Grenzen variieren läßt. Der maximal erreichbare Widerstand beträgt: ρ - 10¹² - ΙΟ¹³ Ω cm.12th
cients one obtains d ~ ₃ «10.3.10 C / N; this is of the order of magnitude; piezoelectric coefficient of quartz. Depending on the evaporation conditions (carrier temperature, evaporation of CdS or of CdS and S), deviations from the stoichiometric composition (Cd excess) are obtained. As a result, the specific resistance of the layers can be varied within wide limits. The maximum achievable resistance is: ρ - 10 ¹² - ΙΟ ¹³ Ω cm.

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Die Spannungsempfindlichkeit (in Volt//uBar) ist für Frequenzen weit unterhalb der Resonanz durch die einfache Beziehung ü/P = £»33^ gegeben, wobei g-- = O₃₃Ze₃- die piezoelektrische Spannungskonstante für Dickenschwinger und t die Dicke der aufgedampften Piezoschieht bedeuten.The voltage sensitivity (in volts // uBar) is given for frequencies far below the resonance by the simple relationship ü / P = £ »33 ^, where g-- = O ₃₃ Ze ₃ - the piezoelectric voltage constant for thickness oscillators and t the thickness of the vapor-deposited Piezoschieht mean.

Tabelle 1 zeigt die Spannungsempfindlichkeit für CdS-Sehichten verschiedener Dicke zwischen 1 ,um und 30 /im (zugrunde- M gelegt wurde mit g₃- - 0,115 Vm/N die gemessene piezoelektrische Spannungskonstante von CdS-Aufdampfschichten.). Table 1 shows the voltage sensitivity for CdS Sehichten different thickness of between 1 to and / in 30 (being added with zugrunde- M g ₃ - - 0.115 Vm / N, the measured piezoelectric strain constant of CdS vapor deposition layers.).

tt 11 55 1010 1515th 2020th 2525th 3030th /um/around ^ü/^po ^ü / ^p o 0,01150.0115 0,05750.0575 0,1150.115 0,1750.175 0,230.23 0,290.29 0,3450.345 /uV/yuB/ uV / yuB -156-156 -.143-.143 -137-137 -133-133 -130-130 -128,5-128.5 -127-127 dB
ref .lV/,uBdB
ref .lV /, uB

Vergleicht man diese Werte für U/P_Q mit denen von PZT-Sonden, z.B. -131 dB für LC-6 Hydrophone von Atlantic Research Corp., Alexandria, Va., USA» mit 2,5 mm Außendurchmesser oder -115,4 dB für A42 Hydrophone von I.D. Groves (JASA 1970 Bd 48, Nr. 2, Teil 2, S. 725) mit 3,2 mm Außendurchmesser (ohne Kapsel), so kann die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen CdS-Sonde als vergleichbar angesehen werden.If one compares these values for U / P _Q with those of PZT probes, eg -131 dB for LC-6 hydrophones from Atlantic Research Corp., Alexandria, Va., USA "with 2.5 mm outer diameter or -115.4 dB for A42 hydrophones from ID Groves (JASA 1970 vol. 48, no. 2, part 2, p. 725) with 3.2 mm outer diameter (without capsule), the sensitivity of the CdS probe according to the invention can be regarded as comparable.

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Ihre statische Belastbarkeit ist wegen der kompakten Bauweise bedeutend größer als z.B. die des LC-6 Hydrophons (3,5 at) und sogar als die des A42 Hydrophons (70 at).Due to its compact design, its static load-bearing capacity is significantly greater than that of the LC-6 hydrophone, for example (3.5 at) and even than that of the A42 hydrophone (70 at).

Die Kapazität der CdS-Sonde hängt von deren äußeren Abmessungen und der CdS-Schichtdicke ab.The capacity of the CdS probe depends on its external dimensions and the CdS layer thickness.

Bei einem Außendurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 3,2 mm besitzt die Standardsonde A42 eine Kapazität von 390 pF. Bei gleichen Abmessungen wäre die Kapazität einer CdS-Sonde aus Tabelle 2 für verschiedene Schichtdicken ersichtlich. With an outer diameter of 3.2 mm and a length of 3.2 mm, the standard probe A42 has a capacity of 390 pF. With the same dimensions, the capacitance of a CdS probe would be apparent from Table 2 for different layer thicknesses.

tt 11 55 1010 1515th 2020th 2525th 3030th /Um/Around CC. 28002800 560560 280280 176176 140140 112112 9393 pFpF

Die Kapazität ist also von gleicher Größenordnung. Bei kleineren Abmessungen würde die Kapazität entsprechend kleiner, durch Nachschalten eines FET-Impedanzwandlers mit hohem Eingangswiderstand und kleiner Kapazität läßt sich aber der Einsatz der Sonde selbst bei Frequenzen unter 1 Hz sicherstellen.The capacity is therefore of the same order of magnitude. In the case of smaller dimensions, the capacity would be correspondingly smaller by connecting an FET impedance converter with high input resistance and small capacitance but ensure the use of the probe even at frequencies below 1 Hz.

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Wichtig für die Anwendung bei tiefen Frequenzen ist die Zeitkonstante des Wandlermaterials. Aus dem spezifischen Gleichstromwiderstand ρ , der bei CdS-Aufdampfschichten 10 bei ίο Ω cm betragen kann, und aus der Dielektrizitätskonstanten e = e . e (mit e = 10,3) ergeben sich Zeitkonstanten τ= e . ρ von etwa 1 bis 10 Sekunden.The time constant of the transducer material is important for use at low frequencies. From the specific DC resistance ρ, that of CdS vapor deposition layers 10 at ίο Ω cm, and from the dielectric constant e = e. e (with e = 10.3) result Time constants τ = e. ρ from about 1 to 10 seconds.

Die aus den Herstellerdaten für das Hydrophon LC-6 ermittelte W Zeitkonstante liegt z.B. mit r = 0,55 s unter diesem Wert. The W time constant determined from the manufacturer's data for the LC-6 hydrophone is, for example, r = 0.55 s below this value.

Da CdS bei erhöhten Temperaturen nicht umkristallisiert, rufen kurzzeitige Temperaturbelastungen an der Sondenspitze keine bleibenden Veränderungen der Empfindlichkeit hervor.Since CdS does not recrystallize at elevated temperatures, short-term temperature loads cause the probe tip no permanent changes in sensitivity.

Dieser Vorteil würde die Anwendung zur Nahfeldmessung von Unterwasserexplosionen und bei entsprechender akustischer Ankopplung die Anwendung zur Druckmessung im stoßwellenbelasteten Erdreich (Druckausbreitung von überirdischen M und unterirdischen Explosionen) ermöglichen. Auch mikroseismische Aktivitäten und Körperschall lassen sich mit der o, g. Sonde empfindlich anzeigen.This advantage would make it possible to use it for near-field measurement of underwater explosions and, with the appropriate acoustic coupling, to use it for pressure measurement in shockwave-loaded soil (pressure propagation from above-ground M and underground explosions). Microseismic activities and structure-borne noise can also be measured with the above. Show probe sensitive.

Empfindlichkeit, Zeitkonstante, Frequenzcharakteristik mechanische Robustheit, Temperaturbelastbarkeit und räumliche Kleinheit der Sonde sind auch für den Einsatz zur Stoßwellen-Messung in Luft von Vorteil. In diesem Falle wird die CdS-Schicht flächenhaft auf einen Metall-, Kunststoff- oder Glasträger aufgedampft und dieser an der Meßstelle aufgeklebt. 209835/0177 Sensitivity, time constant, frequency characteristics, mechanical robustness, temperature resistance and spatial smallness of the probe are also advantageous for use in shock wave measurements in air. In this case, the CdS layer is vapor-deposited over a large area on a metal, plastic or glass carrier and this is glued to the measuring point. 209835/0177

Aufgrund der geringen Abmessung der erfindungsgemäßen Drucksonde - sie kann z.B. in 0,4 mm Kanülen eingebaut werden - ergeben sich zahlreiche biologisch-medizinische Anwendungsmöglichkeiten, wie Einsatz zur Messung von Druckschwankungen in Blutgefäßen und Hohlorganen des tierischen und menschlichen Körpers, insbesondere zur Blutdruckmessung, zur Herzdiagnostik, zur Messung der Druckschwankungen im Rahmen pharmakologischer Tests usw.Due to the small size of the pressure probe according to the invention - it can be built into 0.4 mm cannulas, for example - there are numerous biological-medical applications, such as use for measuring Pressure fluctuations in blood vessels and hollow organs of the animal and human body, especially for measuring blood pressure, for heart diagnostics, for measuring pressure fluctuations in the context of pharmacological tests, etc.

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Claims

PATENT CLAIMS

1. Piezoelectric pressure probe, especially in miniature design, characterized in that it consists of a thin layer provided with electrodes (3, 5) on both sides (4) consists of a piezoelectric material, the inner electrode (3) being the piezoelectric layer (4) and the outer electrode (5) are vapor-deposited one after the other on a carrier (1,2).

2. Pressure probe according to claim 1, characterized in that the layer (4) provided with the electrodes (3, 5) a Taylor wire is vapor-deposited, which essentially consists of a metal wire (1) coated with glass (2), wherein the inner electrode (3) is electrically conductively connected to the metal wire (1).

3. Pressure probe according to claim 1 or 2, characterized in that the piezoelectric layer (4) made of cadmium sulfide, Zinc oxide, o.a. consists.

4. Pressure probe according to claim 1 to 3, characterized in that the piezoelectric layer (4) has a thickness of has about 1 to 40 aim.

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5. A method for producing the pressure probe according to one or more of the. Claims 1 to 4, characterized in that that the electrodes (3, 5) and the piezoelectric layer (4) are vapor-deposited one after the other on a carrier film, which is then wound onto the carrier (1,2) in one or more layers.

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