КРЕМНИЕВЫЙ ВИБРОРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ С ВИБРИРУЮЩЕЙ ПЛАСТИНОЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к измерителям давления, использующим преобразователи с вибрирующей пластиной.
Известен, например, преобразователь давления, в котором используется резонирующий элемент в виде вибрирующей пластины [1]. В нем резонирующий элемент выполнен из монокристаллического кремния и представляет собой удлиненную тонкую пластину, содержащую на концах массивные опоры, предназначенные для закрепления его на мембране, которая воспринимает измеряемое давление. Частота колебаний пластины является функцией измеряемого мембраной давления.
Недостатками этого преобразователя являются большие потери энергии колебаний в креплении преобразователя, зависимость частоты от амплитуды колебаний резонирующей пластины, а также наличие нескольких гармоник на одной резонансной частоте, что значительно снижает точность измерения давления.
Известен также преобразователь давления, резонирующий элемент которого выполнен в виде двух вытянутых параллельных пластин [2]. Резонирующий элемент закреплен концами между двумя утолщенными опорами, исходящими из мембраны и выполненными с нею за одно целое. В этом преобразователе практически отсутствует утечка энергии колебаний через опоры за счет колебаний пластин в противофазе. Однако этот преобразователь имеет те же недостатки, что и преобразователь, указанный выше, а именно наличие зависимости частоты колебаний от амплитуды и
присутствие нескольких гармоник на одной резонансной частоте. Смешивание этих колебаний приводит к уменьшению точности измерений. Недостатком преобразователя с двумя параллельными вибрирующими пластинами является и то, что из-за разброса размеров пластин при их изготовлении, пластины нагружаются неодинаково, вследствие чего возникает разбаланс собственных резонансных частот, что также приводит к увеличению суммарной погрешности преобразователя.
Известен также преобразователь с вибрирующим элементом, совершающим торсионные (скручивающие) колебания, который описан в патенте [3]. Данный резонансный преобразователь давления состоит из двух вытянутых пластин, расположенных вдоль друг за другом, соединенных между собой с внутренней стороны гибкой перемычкой. В средней части каждая пластина по сторонам соединена гибкими растяжками с двумя опорами выступающими из мембраны и выполненными с ней за одно целое. Опоры расположены продольно по сторонам относительно вытянутых пластин.
Каждая из этих пластин совершает резонансные колебания с частотой, зависящей от давления, вокруг осей, проходящих поперек вытянутых пластин через место соединения последних с гибкими растяжками. Опоры предназначены для передачи усилия с мембраны, воспринимающей давление, на вибрирующие пластины. Мембрана по периферии крепится к утолщенной рамке.
В преобразователе собственная частота колебаний вибрирующей системы определяется жесткостью перемычки, соединяющей вибрирующие пластины и жесткостью растяжек. По причине торсионного режима колебаний смещение растяжек незначительно, а амплитуда колебаний вибрирующих пластин ограничивается гибкой перемычкой между ними, поэтому потери энергии колебаний вибрирующих пластин в местах креплений незначительны.
Однако, при всех своих достоинствах данный преобразователь, обладает значительной чувствительностью к температуре из-за того, что опоры имеют большую жесткость. Кроме того, жесткость частей мембраны от опор до утолщенной периферийной рамки сравнимы с жесткостью мембраны между опорами. Температурные и механические воздействия, например, вибрация или удары со стороны корпуса передаются на вибрирующий элемент практически без изменения, что сказывается на его собственной частоте. Изменения внешних условий окружающей среды приводит в итоге к значительным ошибкам при измерении давления.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание резонансного преобразователя давления с повышенной точностью измерений.
Технический результат выражается в снижении погрешности, вызываемой влиянием температуры и других внешних воздействий окружающей среды, и повышении точности измерения давления.
Предложенный резонансный преобразователь давления содержит две вытянутые пластины, расположенные вдоль друг за другом, соединенные между собой гибкой перемычкой. Каждая из этих пластин совершает резонансные колебания с частотой, зависящей от давления, вокруг осей, проходящих поперек вытянутых пластин и образованных соединением последних с гибкими растяжками, которые другим концом соединены с продольными опорами, выступающими из мембраны и выполненными с ней за одно целое, причем угол, образованный продольной осью растяжки и продольной осью пластины не равен 90 градусов, а все внутренние углы крепления растяжек равны между собой. Опоры располагаются симметрично относительно вибрирующих пластин с двух сторон параллельно им и предназначены для передачи усилия с мембраны,
воспринимающей давление, на вибрирующие пластины через гибкие растяжки. По своей периферии мембрана содержит утолщение, выполненное в виде рамки.
Опоры, соединенные гибкими растяжками с вибрирующими пластинами со стороны мембраны, воспринимающей давление, выполнены полыми.
Известно [4, стр.375], что собственные частоты прямоугольной пластины, опертой по краям, вычисляются по формуле:
где:
- цилиндрическая жесткость;
0
E=E·(1+β·ΔT) - модуль Юнга;
0
E - модуль Юнга при начальной температуре;
β - температурный коэффициент изменения модуля Юнга;
0
h=h·(1+α·ΔT) - толщина пластины;
0
h - толщина пластины при начальной температуре;
α - температурный коэффициент линейного расширения материала;
0
а=а·(1+α·ΔT) - длина пластины;
0
a - длина пластины при начальной температуре;
0
b=b·(1+α·ΔT) - ширина пластины;
0
b - ширина пластины при начальной температуре;
1
2
1
2
c, c - число полуволн, для основной гармоники c=c=1;
- плотность материала;
m - масса пластины;
ν - коэффициент Пуассона;
ΔT - изменение температуры.
Упрощая выражение (1), получаем:
Значения температурного коэффициента линейного расширения материала α и температурного коэффициента изменения модуля Юнга β для кремния равны:
-6
-6
α=2.44·101/°C и β=-80·101/°С.
Анализ значений температурных коэффициентов показывает, что изменение модуля Юнга по абсолютной величине приблизительно в 33 раза превышает температурное изменение геометрических размеров пластины, а анализ выражения (2) с учетом отрицательного знака при коэффициенте β свидетельствует о том, что с ростом температуры частота собственных колебаний пластины уменьшается.
Проведенные расчеты определения резонансной частоты от воздействия температуры с использованием выражения (2) показывают, что собственная частота незакрепленной пластины с увеличением температуры уменьшается по причине большего влияния составляющей от изменения модулей Юнга и сдвига, чем от составляющей, вызванной изменением толщины пластины.
Жесткость колебательной системы для заявляемого преобразователя определяется соотношением жесткости вибрирующего элемента, включающего в себя гибкую перемычку между двумя пластинами, гибкие
растяжки и части вибрирующих пластин, находящиеся между растяжками и перемычкой, и жесткостью элементов поддержки крепления вибрирующего элемента, а именно мембраны, опор и части мембраны, соединяющей опоры с утолщенной периферийной рамкой. С изменением температуры окружающей среды, например, увеличением температуры, жесткость отдельного (изолированного от элементов поддержки) вибрирующего элемента уменьшается в соответствии с тем, как было показано выше. Однако в заявляемом преобразователе жесткость колебательной системы зависит от соотношения вышеупомянутых размеров вибрирующих пластин и размеров элементов поддержки. При повышении температуры окружающей среды в преобразователе наряду с ослаблением жесткости самого вибрирующего элемента происходит увеличение его жесткости из-за действия через опоры сил растяжения со стороны мембраны. Поэтому, выбирая оптимальное соотношение размеров толщин вибрирующих пластин dвп и мембраны dм и изготавливая опоры полыми, можно значительно снизить температурную чувствительность преобразователя.
Преобразователь давления в соответствии с данным изобретением обладает высокой точностью и малой температурной чувствительностью при изменении температуры окружающей среды и незначительной чувствительностью к различным механическим воздействиям.
Более подробно сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1. представлен внешний вид заявляемого преобразователя давления с опорами, контур сечения которых имеет П-образный вид.
На фиг.2 представлено сечение преобразователя, изображенного на фиг.1, по линии А-А.
На фиг.3. представлен внешний вид заявляемого преобразователя давления с опорами, контур сечения которых имеет вид равнобедренной трапеции.
На фиг.4 представлено сечение преобразователя, изображенного на фиг.3, по линии В-В.
На фиг.5. представлен вибрирующий элемент, показанный на фиг.1 и 2 с устройствами возбуждения и съема сигнала.
На фиг.6 в упрощенном виде показана конструкция датчика давления с кремниевым виброрезонансным преобразователем давления с вибрирующей пластиной.
На чертежах обозначено:
1 - вибрирующая пластина;
2 - гибкая перемычка;
3 - растяжка;
4 - мембрана;
5 - рамка;
6 - опора с контуром сечения П-образного вида;
7 - опора с контуром сечения в виде равнобедренной трапеции.
8 - электрод съема сигнала;
9 - электрод возбуждения;
10 - корпус;
11 - основание;
12 - соединительный элемент;
13 - отверстие;
14 - полость;
15 - патрубок;
16 - преобразователь.
Изображенный на чертежах (фиг.1 и фиг.2) преобразователь состоит из двух вибрирующих пластин 1, внутренние концы которых соединены гибкой перемычкой 2. Каждая из вибрирующих пластин по сторонам соединена двумя гибкими растяжками 3 с опорами 6 (фиг.1) или 7 (фиг.2),
выступающими из мембраны 4 и выполненными с ней за одно целое, расположенными по сторонам вдоль вибрирующих пластин. Мембрана имеет вид прямоугольной пластины и содержит по периферии утолщенную рамку, предназначенную для закрепления преобразователя. Отличие преобразователей, показанных на фиг.1 и 2, состоит в различном исполнении формы опор. Так при одном исполнении преобразователя (фиг.1) контур сечения опоры 6 имеет П-образный вид. При другом исполнении преобразователя (фиг.2) контур сечения опоры 7 имеет вид равнобедренной трапеции.
Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое давление через отверстие 13 поступает в полость 14 и воздействует на мембрану 4, вызывая ее деформацию, что приводит к смещению опор 6 (7). Смещение опор в свою очередь вызывает механические напряжения в гибких растяжках 3 и в гибкой перемычке 2, соединяющей обе вибрирующие пластины. Жесткость колебательной системы изменяется и, соответственно, изменяется и основная резонансная частота вибрирующей пластины, которая является функцией измеряемого давления. Измеряя резонансную частоту вибрирующих пластин, можно судить о величине измеряемого давления.
Возбуждение и регистрация колебаний вибрирующей пластины производится системой поддержания колебаний (фиг.5.), состоящей из электрода 8 съема частотного сигнала и электрода возбуждения 9, образующими емкости с вибрирующим элементом, причем электрод возбуждения размещен напротив гибкой перемычки 2, соединяющей вибрирующие пластины, а электрод съема сигнала 8 - напротив концов пластины. На электрод возбуждения подается синусоидальное электростатическое напряжение. Система поддержания колебаний построена по принципу автоколебаний, где частотный сигнал с электрода съема после усиления и сдвига по фазе поступает на электрод возбуждения.
Предложенная конструкция резонансного преобразователя давления с отношением толщин вибрирующих пластин и мембраны, равным 0,8-1, позволяет получать минимальную температурную зависимость выходного сигнала.
Заявляемый преобразователь давления 15 (фиг.6) изготавливается из цельного монокристаллического кремния методом анизотропного травления.
Корпус (верхний кристалл) 10 с расположенными на нем электродами возбуждения и съема сигнала изготавливается при помощи стандартных процессов фотолитографии, диффузии и нанесения токопроводящих слоев. Основание 11 (нижний кристалл) изготавливается с помощью анизотропного травления.
Соединение кристаллов между собой производится при помощи известного метода с использованием промежуточного слоя, например из стекла типа «Пирекс» или эвтектического сплава золото-кремний в вакууме.
Источники информации
1. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение, 1981, стр.269.
2. Патент США №4,229,979 МПК G 01 L 11/00, публ. 28.10.1980.
3. Патент США №4,813,271 МПК G 01 L 11/00, публ. 21.03.1989.
4. Прочность. Устойчивость. Колебания. Справочник в трех томах. Под общей редакцией Биргера И.А. и Пановко Я.Г. М.: Машиностроение, 1988, стр.370.