ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно измерительным преобразователям (датчикам) механических параметров на основе резонаторов, выполненных из кристаллического материала, в частности кристаллического кварца.
Известны кварцевые измерительные преобразователи давления, усилия или перемещения, имеющие в качестве сенсора резонатор упругих колебаний пластины или стержня. Упругие колебания резонатора могут быть возбуждены, например, оптически или с использованием силы Лоренца в магнитном поле, или с использованием пьезоэффекта. Примером рассматриваемых преобразователей являются пьезорезонансные датчики, выполненные на основе кварцекристаллических мембран и закрепляемой с помощью клея, стекла или другого соединительного материала на их поверхности пластины-резонатора /Малов В.В., Энергоатомиздат, Москва, 1989 г./. В основе работы таких датчиков лежит деформация мембраны под действием давления, создающая усилия растяжения-сжатия чувствительного резонатора в информативное изменение его частоты. Прототипом предлагаемого устройства является чувствительный элемент или сенсор, изображенный на Рис.1 статьи Симонова В.Н. /Новые технологические возможности как инструмент создания нового поколения кварцевых резонансных сенсоров давления, Датчики и системы №1, 2010 г., стр.27-30/.
Сенсор содержит кварцекристаллическую мембрану, в центре которой легкоплавким стеклом закреплен кварцевый тензочувствительный резонатор, кварцевую кольцевую проставку и кварцевую крышку. Деформация мембраны создает усилия растяжения-сжатия тензочувствительного резонатора и, как следствие этого, изменение его резонансной частоты. Соединение мембраны с проставкой, проставки с крышкой осуществляется легкоплавким стеклом, при этом внутренняя полость вакуумирована. На мембране методом вакуумного напыления нанесены электроды, проходящие через зону стеклоспая мембраны с крышкой и предназначенные для подключения сенсора к внешней электронной схеме. Для исключения контакта колеблющейся области тензочувствительного резонатора с мембраной в мембране под резонатором выполнено неглубокое углубление или резонатор крепится на мембране через проставки. Измеряемое давление воздействует на сенсор со всех сторон. В сенсоре используется тензочувствительный резонатор изгибных колебаний в форме сдвоенного микрокамертона (СМК). Ветви сдвоенного микрокамертона совершают встречные изгибные по ширине колебания. СМК имеет области соединения, которые служат для присоединения СМК к мембране сенсора. Для акустической развязки и получения высокой механической добротности колебаний области соединения соединены с областью колебаний резонатора узкими перемычками. На Рис.1 прототипа эти перемычки не показаны. Однако их конфигурация и наличие отражены на Рис.5.8, а в монографии Малова В.В. /Малов В.В., Энергоатомиздат, Москва, 1989 г./ рабочая деформация растяжения-сжатия осуществляется вдоль продольной оси СМК.
Значительными источниками погрешности сенсора являются соединения его деталей (у прототипа - стеклоспаи). При этом существует два типа соединений, различающихся своими функциями: соединение мембраны с крышкой, и соединения СМК с мембраной. Как показывают расчеты, напряжения в том и другом типе соединений велики и сравнимы с рабочими напряжениями, т.е. напряжениями в ветвях СМК. Напряжения в соединении мембраны с крышкой велики, потому, что они находятся вблизи края мембраны, где изгибные напряжения максимальны. Напряжения в соединениях СМК с мембраной велики, потому что, во-первых, соединения расположены на поверхности мембраны, где изгибные напряжения вдоль толщины мембраны максимальны, во-вторых, эти соединения находятся вблизи перемычек резонатора, где напряжения также максимальны из-за концентрации напряжений вблизи скачкообразного изменения поперечного сечения в перемычке. Из-за несовершенства упругих свойств (пластичности и/или ползучести) соединительного материала рабочая характеристика сенсора имеет гистерезис, влекущий за собой погрешность измерения. При этом, чем больше напряжения в соединительном материале, тем больше гистерезис рабочей характеристики и тем больше погрешность измерения датчика. Недостаток прототипа заключается в существенной погрешности гистерезиса рабочей характеристики, вызванной большой величиной напряжений в соединениях деталей.
Техническим результатом данной заявки на полезную модель является повышение точности измерения датчика за счет снижения напряжений в соединениях его деталей.
Технический результат достигается тем, что в сенсоре, содержащем мембрану и сдвоенный микрокамертон, имеющий области крепления и соединенную с ними перемычками колеблющуюся область, причем резонатор жестко с зазором между ним и мембраной прикреплен областями крепления к поверхности мембраны, расстояние между областями крепления выбирается больше суммарной длины колеблющейся области резонатора и длин перемычек, по крайней мере, на 6 ширин перемычек, а величина зазора составляет от 1 до 5 толщин мембраны. Максимальный эффект достигается тогда, когда зазор обеспечивается выступами на мембране, имеющими форму цилиндрических секторов и расположенными на расстоянии 0,5-0,7 диаметра мембраны друг от друга.
Заявляемые конструктивные признаки позволяют снизить напряжения в соединениях деталей сенсора, оставляя при этом напряжения в колеблющейся области резонатора прежними. Уменьшение напряжений в соединениях снижают величину гистерезиса сенсора, что приводит к повышению его точности.
Выбор расстояния между областями крепления в указанных пределах позволяет отдалить границу области крепления резонатора к мембране от перемычек, т.е. от скачкообразного изменения поперечного сечения резонатора, тем самым уменьшить неравномерность напряжений в соединении резонатора с областью крепления и уменьшить их максимальное значение. Задание величины зазора в указанных пределах увеличивает в несколько раз коэффициент преобразования измеряемого давления в рабочие напряжения в колеблющихся областях (в ветвях) резонатора. Это позволяет получить необходимый коэффициент преобразования чувствительного элемента при значительно меньших изгибных напряжениях в мембране и в соединении мембраны с крышкой.
Обеспечение зазора выступами на мембране (вместо проставок между СМК и мембраной) позволяет уменьшить в 2 раза количество соединений СМК с мембраной и тем самым в 2 раза снизить вклад этого типа соединения в погрешность сенсора. Выбор расстояния между выступами в пределах 0,5-0,7 от диаметра мембраны снижает напряжения в соединениях СМК с мембраной, т.к. в этих местах мембраны изгибные напряжения переходят через ноль, т.е. минимальны. Форма выступов в виде цилиндрических секторов соответствует полярной (круговой) симметрии деформации мембраны, что также снижает напряжения в соединении СМК с мембраной.
Полезная модель иллюстрируется Фиг.1, 2, 3, 4. На Фиг.1 изображена конструкция предлагаемого сенсора в трех видах. На Фиг.2 изображена конструкция мембраны с выступами в форме цилиндрических секторов, расположенных друг от друга на расстоянии 0,5-0,7 диаметра мембраны. На Фиг.3 приведены распределения механических напряжений вдоль ширины соединения СМК с мембраной на передней кромке соединения при различных расстояниях между перемычкой и кромкой соединения. Вдоль оси абсцисс отложено числовое значение координаты в микронах, вдоль оси ординат - механическое напряжение в МПа. На Фиг.4 изображена зависимость относительного коэффициента преобразования чувствительного элемента от отношения зазора между СМК и мембраной к толщине мембраны.
На фигурах используются следующие обозначения: 1 - мембрана, 2 - СМК, 3 - крышка, 4 - пластина, 5 - соединение мембраны с крышкой, 6 - соединение мембраны с СМК, 7 - зазор величиной а между СМК и мембраной, 8 - выступы на мембране, 9 - отверстие в пластине 4, 10 - колеблющаяся область СМК, область, содержащая ветви СМК и их объединенную часть, 11 - рабочая камера, х и у - оси координат, а - зазор между СМК и мембраной, b - расстояние между областями крепления СМК к мембране, с - суммарная длина колеблющейся области СМК и длин перемычек, L - ширина перемычки, D - диаметр мембраны, h - толщина мембраны, Р - измеряемый параметр (давление), σ (Н, у) - механическое напряжение в соединении в функции координаты у и расстояния Н=0,5(с-b) между шейкой и передней кромкой соединения СМК с мембраной, К - относительный коэффициент преобразования сенсора, равный отношению коэффициента преобразования сенсора при некотором зазоре а к коэффициенту преобразования сенсора при зазоре, близком к 0.
Достижение снижения напряжений в соединениях СМК с мембраной осуществляется с помощью изменения расстояния между креплениями в указанных пределах по причине того, что перемычки являются концентраторами напряжений, поэтому дистанцирование области крепления от них необходимо для уменьшения их влияния. На Фиг.3 показаны распределения напряжений на передней кромке соединения СМК с мембраной вдоль оси у при различных расстояниях Н=0,5(с-b) между кромкой области крепления и перемычкой: 0.01L, L, 2L, 3L.
Достижение полезного эффекта за счет снижения напряжений в соединении мембраны с крышкой за счет увеличения зазора между мембраной и СМК иллюстрируются с помощью графика Фиг.4. Графики зависимости даны для трех различных диаметров мембраны D: 10 мм, 20 мм и 40 мм - при одном и том же значении толщины мембраны h=0,5 мм. Из графиков видно, что увеличение зазора вначале увеличивает коэффициент преобразования К до некоторого максимального значения, а потом уменьшает его. Если величина зазора выбрана в области максимума коэффициента К, то напряжения в мембране в К раз меньше, чем в случае, когда зазор d минимален (близок к нулю). В принципе эффект увеличения коэффициента преобразования имеет место и при меньших значениях зазора, чем одна толщина мембраны. Но это увеличение неощутимо на фоне погрешностей градуировки датчика. Поэтому нижней границей зазора принято значение в одну толщину мембраны. При зазоре больше 5-ти толщин мембраны выигрыш в коэффициенте преобразования также незначителен для практически используемых диаметрах мембран.
Сенсор работает следующим образом. Измеряемый параметр Р поступает в рабочую камеру 11, воздействует на мембрану 1 и вызывает в ней механические напряжения. Эти напряжения через выступы 8 воздействуют на СМК. Резонансная частота СМК изменяется. Это изменение фиксируется электронной схемой, подключенной к резонатору посредством электродов (на фигурах электронная схема и электроды не показаны). Предлагаемые в данной заявке конструктивные признаки позволяют получить те же полезные изменения частоты, что и в прототипе, но при значительно меньших напряжениях в соединениях деталей сенсора. В результате гистерезис рабочей характеристики сенсора, а, следовательно, его погрешность измерения в несколько раз снижена.