СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
MANUFACTURING METHOD OF PIEZOELECTRIC PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к технологии точного приборостроения и может быть использовано в технологических процессах изготовления пьезоэлектрических датчиков, предназначенных для измерения переменных и акустических давлений.
Известен «Способ изготовления высокотемпературного пьезоэлектрического датчика давления» (см. патент РФ №2052777 от 06.10.1992 г., опубликован 20.01.1996 г.), в котором пьезоэлементы с электродами устанавливают на основании с герметично запрессованными электрическими выводами. Все детали стягивают в тонкостенном кожухе, который приваривают по периметру с одного торца к силопередающему элементу, с другого - к основанию. Корпус устанавливают на основание, оставляя зазор между свариваемыми поверхностями. Датчик помещают в огнеупорную печь, которую заполняют аргоном, и повышают температуру до рабочей температуры датчика. Выдерживают датчик при заданных температурах 20-30 мин, затем охлаждают вместе с печью до нормальной температуры. При достижении на датчике нормальной температуры соединяют свариваемые поверхности и производят герметизацию внутренней полости датчика с помощью сварки.
Вышеуказанный способ является наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и поэтому выбран в качестве прототипа.
Недостатком известного способа является то, что изготавливаемые датчики давления имеют сравнительно малую чувствительность к измеряемому давлению, уменьшающую динамический диапазон в области низких давлений. Это обусловлено параллельностью паразитных жесткостей тонкостенного кожуха и мембраны корпуса с жесткостью пакета пьезоэлементов, приводящей к увеличению суммарной жесткости, и, как следствие, к уменьшению чувствительности.
Решаемой технической задачей является создание способа изготовления пьезоэлектрического датчика давления с расширенным динамическим диапазоном.
Достигаемым техническим результатом является увеличение чувствительности изготавливаемых датчиков давления и линейности их характеристики за счет уменьшения паразитной жесткости.
Для достижения технического результата в способе изготовления пьезоэлектрического датчика давления, заключающемся в том, что на основании устанавливают не менее двух пьезоэлементов, которые поджимают корпусом с мембраной, новым является то, что в корпусе мембрану выполняют с жестким центром, осуществляют герметичное соединение корпуса с основанием, после чего нагружают корпус избыточным давлением, величина которого больше верхней границы измеряемого диапазона, до пластической деформации части мембраны, расположенной между ее жестким центром и наружным диаметром, причем отношение диаметра жесткого центра к диаметру мембраны выбирают из диапазона больше 0,65, но меньше 1.
Выполнение мембраны с жестким центром и нагружение ее избыточным давлением, величина которого больше верхней границы измеряемого диапазона, до пластической деформации части мембраны позволяет уменьшить паразитную жесткость, параллельную пьезоэлементам, за счет исключения тонкостенного кожуха из устройства, и обеспечить линейность характеристики датчика при низких давлениях, что также расширяет динамический диапазон измерений. Введение выбора отношения диаметра жесткого центра к диаметру мембраны из диапазона больше 0,65, но меньше 1 необходимо для обеспечения требуемого усилия предварительного поджатая пьезоэлементов. При отношении диаметра жесткого центра к диаметру мембраны меньше 0,65 абсолютная деформация мембраны резко увеличивается. Она может достигать величины больше толщины жесткого центра, что может привести к уменьшению зазора между мембраной и токосъемником, касание которых между собой приведет к короткому замыканию электродов пьезоэлементов. Увеличение толщины жесткого центра больше величины, необходимой для плоскопараллельного сжатия пьезоэлементов, приводит к нежелательному увеличению габаритов и массы датчика. При приближении отношения диаметра жесткого центра к диаметру мембраны к 1 становится невозможной пластическая деформация части мембраны между жестким центром и наружным диаметром, необходимая для предварительного поджатия пьезоэлементов. Кроме того, из-за необходимости обеспечения плоскопараллельной деформации пьезоэлементов в таком случае потребуется увеличение толщины жесткого центра, что, как отмечалось выше, неприемлемо.
На фигуре представлена конструкция пьезоэлектрического датчика давления, собираемого по предложенному способу. Пьезоэлектрический датчик давления содержит 1 - основание, 2 - корпус с мембраной 3 с жестким центром 4, два пьезоэлемента 5 и токосъемник 6.
Способ реализуется следующим образом. На основании 1 устанавливают не менее двух пьезоэлементов 5, образующих с токосъемником 6 между ними пакет, который поджимают корпусом 2 с мембраной 3 с жестким центром 4. Осуществляют герметичное соединение корпуса 2 с основанием 1, например, сваркой, после чего нагружают мембрану 3 избыточным давлением, величина которого больше верхней границы измеряемого диапазона, до пластической деформации части мембраны 3, расположенной между ее жестким центром 4 и наружным диаметром 8, причем отношение диаметра 7 жесткого центра 4 к наружному диаметру 8 мембраны 3 выбирают из диапазона больше 0,65, но меньше 1. Векторы поляризации пьезоэлементов 5 ориентированы навстречу друг другу. Съем электрического сигнала осуществляется с помощью токовыводов 9.
Следует отметить, что в паспортах на датчики фирмы РСВ (США) приводятся градуировочные зависимости для динамического диапазона не более 20 дБ (каталог фирмы РСВ, 2003 г.).
Например, нелинейность характеристики датчика М165А02 в 2% подтверждается для динамического диапазона от 207 до 1035 бар (15 дБ), для датчика М109С11 от 69 до 5520 бар (18 дБ).
Испытания датчика 113А показали, что в динамическом диапазоне от 40 до 100 бар (15 дБ) нелинейность характеристики составляет 6%, что противоречит заявленным характеристикам (нелинейность 1%, динамический диапазон 90 дБ).
Пьезоэлектрические датчики давления производства ФГУП «НИИФИ» (г.Пенза) имеют динамический диапазон не более 42 дБ. Например, динамический диапазон датчика ЛХ611М составляет от 0,45 до 56 бар (42 дБ) (Датчики, преобразователи, антенны. Каталог ФГУП «НИИФИ», 2011 г.).
По предложенному способу были изготовлены образцы датчиков, испытания которых подтвердили возможность расширения динамического диапазона от 0,001 до 250 бар (108 дБ) с нелинейностью не более 2%, что превышает метрологические характеристики вышеперечисленных датчиков.