Датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повьшение чувствительности датчика к изменению давления. При отклонении измеряемого давления дентр мембраны 1 прогибается, изменяется частота толщинно-сдвиговых колебаний пьезо- .элемента 5. Прогиб мембраны 1 приводит к уменьшению угла, образованного силовыми линиями электрического поля и поверхностью пьезоэлемента 5. В то же время увеличивается величина емкости зазора, что ведет к уменьшению частоты генерадии. Регистрируя изменения частоты с помош;ью измерителя частоты, судят о величине измеряемого давления. 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

m 4 G 01 1. 9/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

7

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4084589/24-10 (22) 07.07.86 (46) 30.07.88. Бюп. № 28 (72) В.Г.Касьян, Е.С.Колесник, В.Л.Сорокопут и А.И.Черепков (53) 531. 787 (088.8) (56) Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергия, 1978, с. 173.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1323881, кл. G 01 L 9/08, 1985. (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения повышение чувствительности датчика

„„Я0„„141 3452 А 1 к изменению давления. При отклонении измеряемого давления центр мембраны

1 прогибается, изменяется частота толщинно-сдвиг овых кол еб аний пьез оэлемента 5. Прогиб мембраны 1 приводит к уменьшению угла, образованного силовыми линиями электрического поля и поверхностью пьезоэлемента 5. В то же время увеличивается величина емкости зазора, что ведет к уменьшению частоты генерации. Регистрируя изменения частоты с помощью измерителя частоты, судят о величине измеряемого давления. 6 ил.

1413452

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве разнообразных датчиков механических величин, таких как давления и силы.

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика к изменению давления.

На фиг. 1 представлена конструкция 10 предлагаемого датчика на фиг. 2— мембрана; на фиг. 3-5 чертежы пьезоэлемента; на фиг. 6 — схема включения ,атчика в автогенератор.

l5

Датчик (фиг. 1) содержит мембрану

1 из кремния п-типа проводимости со слоем окисла 2, в центре мембраны имеется область P-типа проводимости 3 радиусом R с электродами 4 из металла, 20 например алюминия (фиг. 2), кварцевый пьезоэлемент AT-среза 5 (фиг. 3), выполненный в виде обратной мезаструкт уры с электр одом 6, который выполн ен в виде "подковы" (фиг. 5), передняя кромка которой представляет собой участок окружности радиусом R и раскрытием o(= 90, расположенный симметрично оси Z пьезоэлемента 5. Крем/

30 ниевая мембрана 1 подсоединяется к пьезоэлементу 5 посредством слоя припоя 7 со стороны, противоположной той, на которой расположен электрод 6. Надежное соединение между элементами

1 и 5 достигается тем, что в мембране35

1 формируется углубление (фиг. 2) по ее краю, на поверхность которого наносится слой 8 металла, а на пьезоэлементе 5 формируется кольцо 9 (фиг.4) 0 из металла, смачиваемого припоем 7 и подобного металлу слоя 8. Полость, заключенная между плоскостями мембраны 1 и пьезоэлемента 5, вакуумируется для исключения возникновения стоя- 45 чих волн в ней, что позволяет добиться высокой добротности резонатора, под которым понимают совокупность пьезоэлемента 5 и электродов 4 и 6.

Выполнение электрода 6 в виде"подковы" с раскрытием с = 90 обусловлено

50 тем, что в этом случае обеспечивается компромисс между величиной сопротивления потерь R и диапазоном изменения частоты резонатора, так как увеличение угла Ы ведет к уменьшению R u

Ф диапазона изменения частоты резонатора и наоборот. Отметим, что мембрана

1 и пьезоэлемент 5 установлены так, что их оси симметрии, перпендикулярные их плоскостям, совпадают.

Датчик работает следующим образом.

При номинальном давлении Ро мембрана 1 находится на определенном расстоянии от плоскости пьезоэлемента 5, в котором с помощью автогенератора

10 возбуждаются толщинно-сдвиговые колебания с частотой f, которая регистрируется измерителем 11 частоты, фиксируя показания которого, судят о величине измеряемого давления.

При отклонении измеряемого давления на величину АР центр мембраны 1 прогибается на величину d от св е :о исходного положения ° При этом изменяется частота толщинно-сдвиговых колебаний пьезоэлемента 5 за счет изменейия величины емкости зазора, в котором возбуждается пьезоэлемент 5 и который образован плоскостяпж мембраны 1 и пьезоэлемента 5, а также за счет изменения угла наклона электрического поля относительно поверхности пьезоэлемента 5. Это эквивалентно изменению угла среза кварцевого пьезоэлемента, что приводит к изменению резонансной частоты пьезоэлемента.

Прогиб мембраны 1 приводит к уменьшению угла, образованного силовыми лилиниями электрического поля и поверхностью пьезоэлемента 5. Это эквивалентно (при данном размещении электрода 6 относительно кристаллографических осей кварца) уменьшению угла среза пьезоэлемента 5, что ведет к уменьшению частоты генерации. В то же время прогиб мембраны 1 приводит к увеличению величины емкости зазора, а также к уменьшению частоты генерации. Таким образом, изменение частоты генерации в данном случае обусловлено двумя эффектами, описанными выше и приводящими к изменению частоты резонатора в одну сторону. Регистрируя изменения частоты с помощью измерителя 11 частоты, судят о величине 1Р. Такая конструкция датчика позволяет повысить его чувствительность к изменению давления.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий кварцевый резонатор в виде обратной мезаструктуры с утонченным центральным и утолщенным периферийным участками и кремниевую мембрану. имеющую форму

1413452

AT-c колпачка, с утолщенной периферийной частью, скрепленную своей плоской поверхностью с периферийным участком разонатора, отличающийся

5 тем, что, с целью повышения чувствительности, в нем мембрана выполнена из окисленного кремния и-типа проводимости, в центре которой сформирована область р-тиг. з проводимости, ограниченная окружностью с радиусом R u снабженная с двух сторон круговыми электродами, а резонатор с внешней стороны снабжен электродом, выполненным в виде части дуги окружности с раскрытием в 9 ), передняя кромка ко,.о торой расположена на радиусе R от центра резонатора, и расположенным симметрично относительно кристаллографической оси 2 кварцевого резонатора.

1413452 (Риг. о

Составитель И.Невский

Редактор М.Келемеш Техред M. Ходанич Корректор В.Романенко

Заказ 3773/43 Тираж 847

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4