Датчик давления

 

ДАТЧЖ ДАВЛЕНИЯ, содержащий закрепленную в корпусе монокристаллическую колпачковую мембрану с утолщенной периферийной частью и измерительные и компенсационные .встречноштыревые преобразователи поверхностных акустических волн, размещенные на внешней поверхности мембраны. отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения, на каждой стороне утолщенной пери- .ферийной части мембраны выполнен кольцевой концентричнь1й паз, заполненный вибропоглотителем, при этом глубина h паза удовлетворяет следующему соотношению: O.rd-b , , НТо ТТ- Ь-Зс, где а - расстояние от края паза до мембраны} b - толщина утолщенной периS ферийной части мембраны; (Л с - толщина мембраны; d - диаметр мембраны. f,(PJ г(Р.т} Л(Р.7)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (l 9) (I l) (5()4 С 01 1 11/00 C <4f03tf4 g

13,, 13

ВМЙЯф) ТУ1, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0,1 d Ь вЂ” - h cb-2с с(01Д ) расстояние от края паза до мембраны, толщина утолщенной периферийной части мембраны; толщина мембраньц диаметр мембраны. где а— с—

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3720350/24-10 (22) 06.04.84 .(46) 15.11.85, Бюл. II 42 (7I) Ийститут электроники АН БССР (72) В.М. Колешко и Ю.В. Мешков (53) 531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 951089, кл. G 01 L 13/06, 1982.

Патент СНА, У 4100811, кл. G 01 Т 1/16, 1968. (54) (57) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий закрепленную в корпусе монокристаллическую колпачковую мембрану с утолщенной периферийной частью и измерительные и компенсационные, встречноштыревые преобразователи.поверхностных акустических волн, размещенные на внешней поверхности мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, на каждой стороне утолщенной периферийной части мембраны выполнен кольцевой концентричный паз, заполненный вибропоглотителем, при этом глубина h паза удовлетворяет следую щему соотношению: у 4 »= е . йЬ 5-! (2) ! 11917

Изобретение относится к устройст", вам контроля давления газообразных и жидких сред с преобразователями поверхностных акустических волн (ПАВ) и может быть использовано, в частности, для контроля величины разрежения во впускном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Целью изобретения является повышение точности измерения. !

О

На фиг. 1 схематически представлен мембранный чувствительный элемент (ЧЭ) предлагаемого датчика, включенный в электрическую цепь; на фиг. 2 датчик с закрепленным в корпусе ЧЭ; на фиг. 3 — график, поясняющий работу датчика.Датчик (фиг. 1) содержит мембранный ЧЭ колпачкового типа (кварц

У-, или ST-среза, Si и т.д.) с выполненным в нем, например, методом химического травления глухим отверстием для образования непосредственно мембраны 2. На внешней поверхности мембраны сформированы измерительные 3 и компенсационные 4 встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн

1 (ПАВ) . Структуры на ПАВ представляют . собой линию задержки (ЛЗ) на ПАВ или Â-резонаторы. По внешнему периметру мембраны 2 (обозначен пунктирной. линией 5 на фиг. 1) выполнен концентричный паз 6, имеющий кольцеобразную форму. Кольцеоб- 3S разный паз в ЧЭ 1 выполнен как со стороны размещения структур на ПАВ

3 и 4, так и со стороны, противо" положной поверхности размещения структур на ПАВ. Путем включения 40

ПАВ-структур 3 и 4 в цепь обратной связи соответствующих усилителей

7 и 8 образованы ПАВ-генераторы, выходы которых подключены к входу смесителя 9, нагруженного на фильтр 45 нижних частот (ФНЧ } 10. Мембранный

ЧЭ 1 с помощью связующего вещества

11 закреплен в корпусе 12 (фиг. 2), имеющем патрубок 13 для подвода давления. Кольцеобразный паэ 6 S0 в мембранном ЧЭ 1 всегда размещается в области между внешним периметром 5 мембраны 2 и зоной соединения корпуса 12 с ЧЭ 1. Паз 6 заполнен вибропоглотителем 14, например, резиной (фиг. 2) .

При измерении давления (разрежения), например, во впускном трубо-„

65 2 проводе ДВС патрубок 13 соединяется со впускным трубопроводом (с давлеб нием Р) . Изменение Р приводит к деформации мембраны 2 и иэ!вменению частот генерации f! и f» генераторов на соответствующих ПАВ-структурах 3 и 4 в противоположных направлениях вследствие противоположного характера деформаций в центре и на периферии „.мембраны 2. В результате смешения частот в смесителе 9 получается разностная частота ЬЕЕ -Е выделяемая ФНЧ 10 и пропорциональная измеряемому давлению P.

Положительный .эффект, достигаемый за счет использования предлагаемого решения, можно пояснить следующим образом. В результате различия температурного коэффициента расширения (TKP) материала ЧЭ 1, связующего вещества 11 и корпуса датчика 12 в материале ЧЭ 1, прилегающем к области соединения, возникают механические напряжения б . При толщине Ю мембраны 2, удовлетво-. ряющей условию c((b, где Ъ вЂ” толщина утолщенной периферийной части мембранного ЧЭ 1, что обычно всегда выполняется на практике, на краях мембраны 2 по ее периметру 5 происходит концентрация термоупругих напряжений.

Для обычного ЧЭ 1 беэ канавок максимальная величина напряжений

d ä„, = „+ б». Напряжение растяжения

0 составляет

6 ° б изгибное напряжение 6»вЂ”

S+d S-d т нп 877т<

Здесь d — диаметр мембраны 2, М— изгибающий момент в поперечном сечении ЧЭ 1, S — расстояние между областями соединения на противоположных стороных ЧЭ (фиг. 2) . При обычных для датчиков давления величинах

Sjd=2-3 соответствующее яц„с, вычисленное на основании формул (1) и (2), достигает величин м кс (6 3 3 8) °

Действие таких больших напряжений приводит к значительным деформациям мембраны 2 при изменении температу1191765 4 ры, что резко снижает точность из- Нео б.ход

Мерения да--.ления P.

l .ходимая глубина h паза и за 6 опредеия . . - ляется иэ условия получения задана

Для предлагаемого датчика с вы- ного ослабл ления величины термоупполненным в ЧЭ 1 пазом 6 общей глу- Ругих нап яжен биной h/h h +h напряжении, причем их величи<+hz при наличии пазов с 5 на во всех случаях уменьшается с обеих сторон ЧЭ (фиг. )) и при ростом h (фиг. 3). Максимальная учете лишь одного перехода (утолще- глубина паза 6 ограничивается условием отсутствия деформации утоненвеличина И, составляет д ной части ЧЭ 1 в месте выполнения о

S (Ь-h) /2N (3)

) / « (3y lp аза 6 при воздействии измеряемого п а величина б равна давления Р, что достигается выбором толщины этой утоненной области ЧЭ где 0-(Ь-h),(S-d)/2+ah; о * Ы х не менее двух толщин С мембраны 2, щ) откуда имеем к 1 2ah ° „I S+d ah 15 . hc Ь-2с (b-h) (S d) « () 4 2 (b-h) С увеличением расстояния аот

ah+0 5 (b-h) (S-d) паза 6 до мембраны 2 уменьшаются

2ah d+(b-h) ° n S d термоупругие деформации мембраны

При тех же значениях S/d=2-3 и (фиг. 3/ либо заданная степень их расстоянии паза от мембраны a/É=О 3 2р ослаб и до

« стирается при меньшей соответствующие значения максималь- глубин h

« паза. аксимальная величиМ ных напряжений d =4 1 С -2 д т.е. сн макс СO 2«8< о .« на 0 ограничивается заданными ра ижаются в . 1,4-1,5 раза при Рами ЧЭ 1 датчика. Ширина паза и и размевыполнении паза глубиной Ь/Ъ=О 25, « ° форма его его в поперечном сечении не

При увеличении расстояния от паза 6 25 оказывают сущ мембраны 2 до а ественного воздействия б д а/b=0,6 величина макси- на степень термокомпенсации и опремального напряжения снижается до деляется технологическим про процессом

его получения (химическое или

l,7 раза.. (е или иной вид травления, формирование с помо2

Термоупругие деформации мембраны щью лазеРного излУч

30 злучения и т.д. ) при наличии паза 6 еще более снижа", Размещение б и ви ропоглотителя ) 4 в

1отся при учете перехода внешняя об- пазах 6 (фиг. 2) по зв оляе т наиболее ласть ЧЭ ) — паз 6 и того, что уто- эффективно поглотить ПАВ за пределанение ЧЭ ) в области паза 6, имею- ми ПАВ-структур 3 и 4, полностью щее возможность работать и на изгиб устранить возни н

35 к овение отраженных служит концентратором механических от деталей датчика паразитных ПАВ напряжении и тем самым дополнительно и тем самым повысить точность измеснижает область влияния термоупру- Рения за счет снижения влияния втогих напряжений соединения ЧЭ ) — кор- Ричных эффектов. В качестве акусто- пус 12. Об ий коэ щ " ффициент снижения поглотителя из вязких материалов термонапряжений К равен отношению могут использоваться каучук, резинапряжении в датчике с пазом к нап- на, составы на основе эпоксидной ряжениям в датчике.без паза смолы и т,д

gl

Кроме того, размещение а пазах мезе

2 6 вибропоглотителя 14 позволяет

МОКС аз ее K(, произвести эффективное демпфирова- ние внутренней, ограниченной пазами

Зависимости коэффициента К от от6, области ЧЭ 1, что снижает влияносительной глубины паза 6 Ь/Ь п ние на точнос ть измерения механнразличных значениях а/d и S/d при ческих наг зок на ру ок на корпус 12 дат:приведены на фиг. 3.

50 чика таких как

« как вибрации, удары и т.д.

М г .. В результате предлагаемое решеинимальная глубина паза 6 выб— рается из слови

ыби- ние позволяет повысить точность у я уменьшения величи- мерения за сч т

ыб - ь из е резкого уменьшения ны термоупругих напряжений в мембрар — термоупругих деформаций мембраны, не менее чем на 50о« что íà, 55 по авления па д я паразитных отраженных

ПАВ, а также уменьшения влияния

a+0,ld. вибраций и ударов на точность измерения. (5) 1191765, д,б

О.и

О, Составитель О. Полев

Редактор Н. Швыдкая Техред А.Кикемеэей Корректор В. Бутяга

Заказ 7149/39, Тираж 896 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035д Москва Ж-35д Раушская наб. д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4