Дрейф нуля датчика во времени, вызванный старением резонатора, не превьшает 100 Па в сутки, что эквивалентно суточному дрейфу 1,5 -10"*% верхнего предела измеряемой величины. Такое старение существенно меньще, чем у датчиков давления вибрационно-частотного типа (вибротронов).

Хотя БЧЭ датчика характеризуется высоким уровнем интеграции, полностью монолитным он не является из-за наличия двух дискретных герметизирующих крыщек. Однако, как следует из анализа упругих напряжений в БЧЭ, удаление зон присоединения крыщек от активной области пьезорезонатора позволяет снизить влияние нестабильностей в этих зонах на характеристику датчика до ничтожно малых уровней.

Одним из серьезных недостатков барочувствительных элементов, выполненных по схеме рис. 5.17,а, следует считать ограничение возможности реализации датчиков на другие диапазоны давлений. В диапазоне низких давлений такая конструкция малоэффективна.

Предложенный вариант кварцевого БЧЭ нащел применение не только в составе датчиков гидростатического давления. В частности, этот элемент применен в разработанном во Фрашщи скважинном датчике, используемом при геофизических исследованиях, оценке запасов нефти, газа и т.п. [97].

Одна из главных проблем скважинных датчиков - снижение температурных погрешностей измерений.

В предложенном датчике это достигнуто путем контроля температуры зонда с БЧЭ с помощью встроенного платинового термометра сопротивления. В конструкции предусмотрены меры по снижению перепада температур между зоной высокого давления, в которой установлен БЧЭ, и зоной низкого давления с платиновым термометром. Благодаря этому удается внести поправки по температуре в результаты измерения давления с учетом предварительной температурной калибровки БЧЭ.

В последнее время предпринимаются попытки расширения диапазона рабочих температур датчиков давления, прежде всего в сторону их увеличения. Традиционные срезы кварца с высокой силовой чувствительностью уже не годятся из-за низкой температурной стабильности частоты. Так, при температурах свыше 100 °С резонаторы ЛГ-среза можно использовать как термодатчики - их ТКЧ превышает 50 10*, а суммарный уход частоты в диапазоне 0-250 °С составляет 2 .10", что примерно равно полезным девиациям частоты при силовом воздействии (100% погрешности ДД).

В этой связи ведутся поиски новых силочувствительных срезов пьезокварца, оптимальных для использования в области высоких температур. Один из таких срезов - повернутый на 34° Z-срез, обозначаемый yxwl/30°32. С точки зрения применений в высокотемпературных датчиках положительным свойством этого среза является высокая температура точки перегиба ТЧХ (+125 °С). Кривизна ТЧХ в точке перегиба существенно ниже, чем у ЛГ-среза (рис. 5.19), а силовая чувствительность имеет приемлемую величину. В частности, коэффициент интеграль-158

-75I I I-1-1-1-

О 50 100 150 200 i,°C

О 50 100 150 200 250 t°Z 5)

Рис. 5.19. ТЧХ резонаторов повернутого Х-среза

НОЙ тензочувствительности АГ =-1,6 • 10"" мН (у ЛГ-среза = = 2 710"" м/Н). Это позволяет реализовать на резонаторах повернутого Z-среза конструкции интегральных датчиков давления [96].

Высокие точности, реализованные в датчиках гидростатического давления фирмы Хьюлетт-Паккард, стимулировали поиск новых вариантов интегральных конструкций БЧЭ. Одна из них, показанная на рис. 5.20, отличается расположением пьезоэлемента относительно оси цилиндрической конструкции. В этом варианте перестройка частоты резонатора в функции давления реализуется уже не за счет эффекта интегральной тензочувствительности, а под действием одноосного усилия на резонатор. Варьируя геометрию пьезоэлемента, можно в широких пределах изменять диапазон номинальных давлений.

Оценивая конструкции интегральных датчиков гидростатического давления (рис. 5.17 и 5.20) , следует отметить их высокую сложность и низкую технологичность. Однако при решении уникальных задач эти приборы оказываются незаменимы благодаря высочайшей разрешающей способности, стабильности и достоинствам частотной формы выходного сигнала.

Продолжая рассмотрение ДД с кварцевыми БЧЭ, остановимся на конструкциях, пригодных для построения датчиков атмосферного давления. Потребность в надежных электронных барометрах в настоящее время остается неудовлетворенной. Для решения этой задачи предложен ряд модификаций [99, 100]. Одна из них - с прямым нагружением си-лочувствительного резонатора (см. рис. 5.3,а) БЧЭ датчика фирмы Хьюлетт-Паккард [99] использует линзовый резонатор на частоту

Рис. 5.20. Разновидность кварцевого БЧЭ для датчиков гидростатического давления:

ЦП - цилиндрический преобразователь; К -крышка; ВП - вакуумированная полость

15 МГц по пятой гармонике. Давление поступает на кварцевую мембрану, ориентация которой совпадает с ориентацией СЧР и корпуса БЧЭ, что, как отмечалось, обеспечивает полное согласование ТКЛР элементов по всем направлениям. Соединение элементов конструкции осуществляется легкоплавким стеклом.

БЧЭ размещен в термостате, обеспечивающем работу в точке верхнего экстремума ТЧХ резонатора 55 °С). Датчик рассчитан на диапазон до 2 10* Па, гистерезис и невозврат в нуль составляют ± 20 Па, нелинейность менее 0,1%. Суточный уход нуля датчика составляет до 25 Па, что связано с релаксациями напряжений при высокотемпературной сборке стеклом.

В отечественном измерительном преобразователе атмосферного давления (ИПАД) [100] применена двухмембранная схема прямого нагружения ПР, позволяющая снизить чувствительность показаний к положению в пространстве (см. рис. 5.10,6). В состав датчика входят кварцевый БЧЭ, термостат, обеспечивающий поддержание температуры вблизи 53 °С, электронный блок и корпус, предназначаемый для защиты от механических и климатических воздействий. Для проведения повероч-ньрс работ в корпусе предусмотрен штуцер, через который производится задание эталонных давлений.

Мембраны БЧЭ вьшолнены с жестким центром. Силочувствительный резонатор типа ЭПК-В закрепляется в пазах, выполненных в жестких центрах. Соединение мембран, ПР и кольца производится легкоплавким стеклом ClOai; ТКЛР=(10±0,13).10-* К"!; температура плавления (340 ± 15) °С.

Термо компенсация обеспечивается выполнением мембран и кольца йз элементов со срезом ху11+2%° и ориентацией пазов под углом ±49° к оси Y мембраны.

БЧЭ помещается в термостат из красной меди, закрьшаемый сверху и снизу крышками. Дополнительно снаружи термостата установлен теплозащитный пенопластовый стакан.

Для стабилизации рабочей температуры в пазах на внутренней стенке медного корпуса устанавливаются кварцевый термодатчик и опорный резонатор. Сигнал с термодатчика поступает в терморегулятор, разме-160

щенный в электронном блоке,и обеспечивает управление током в нагревателе. Схема управления термостатом обеспечивает коэффициент термо стати ров ани я на уровне 250.

Диаметр рабочей части мембраны 24 мм, радиус жесткого центра 10 мм, толщина мембраны 0,35 мм.

Основные характеристики преобразователя ИПАД

Диапазон измерений, Па............... 0-1100

Основная приведенная погрешность, % ..... 0,05

Чувствительность, Гц/гПа.............. 3

Порог реагирования, гПа.............. 0,01

Абсолютная погрешность преобразования вариаций давления (не более 10 гПа), гПа..... 0,02

Смещение нуля, гПа/сутки............. 0,05

Время выхода на режим после включения источников питания, мин ............... 30

Масса, кг........................ 1,5

Питание:

напряжение, В................... 12±!В

ток, А........................ 0,6

Преобразователь ИПАД предназначен для работы в составе цифрового барометра, используемого для проведения баронивелирования при геофизических работах.

По схеме рис. 5.10,6 реализуется и разработанный в МИФИ скважин-ный датчик на давление до 250 кг/см . В качестве чувствительного элемента использован резонатор типа ЭПК-В. При толщине мембраны 3,5 мм, внешнем диаметре кольца 16 мм и внутреннем 6 мм датчик имеет нелинейность 0,2%, гистерезис менее 0,3%. Уход нуля датчика в диапазоне температур до 150 °С - в пределах 1 %. Коррекция результатов измерений по замерам температуры кварцевым термометром позволяет снизить температурную погрешность до 0,1 ~ 02%. Конструктивно датчик выполнен в виде корпуса из стали, заполняемого силиконовым маслом. БЧЭ устанавливается внутри и соединяется с электронной схемой через гермовводы высокого давления. Развязка от среды осуществляется с помощью разделительной прокладки-мембраны из тефлона.

Плаиариые кварцевые БЧЭ. Рассмотренные варианты датчиков с выполнением всех элементов барочувствительного узла из пьезокварца имеют общий принципиальный недостаток - высокую конструктивную сложность и низкую технологичность. Что касается метрологических характеристик этих приборов, то они значительно превосходят параметры другого класса твердотельных датчиков - полупроводниковых. Это обстоятельство стимулировало в начале 80-х годов поиск новых конструктивных решений ДЦ, кварцевых БЧЭ, позволявших перейти к групповым методам их производства на основе планарной технологии.

Важным шагом в этом направлении можно считать разработку БЧЭ, выполненных на основе интегральных мембран и закрепляемых на их поверхности пластин-резонаторов [101].

Рис. 5.21. Конструкция планарного БЧЭ:

а, б ~ недифференциапьная конструкция; в, г - дифференциальные конструкции с двумя СЧР

Основа работы планарных БЧЭ очевидца - деформация мембраны (рис. 5.21) под действием давления создает усилия растяжения-сжатия силочувствительного резонатора и сдвиг его частоты. Плоскость резонатора параллельна плоскости мембраны. Для реализации интегральных мембран простейшего типа - с плоским профилем - могут быть использованы механические методы размерной обработки - алмазным инструментом и на ультразвуковых станках. Более сложные профилированные мембраны с выступами (или углублениями), предназначенными для подсоединения резонаторов, могут изготавливаться методами ионного или химического травления.

В случае химического формообразования при групповых методах производства достигается высокая точность геометрии элементов и производительность.

В простейшем варианте планарный БЧЭ (рис. 5 21 ,д,б) содержит основание и интегральную мембрану Af, в центре которой закрепляется си-лочувствительный резонатор СЧР. Все элементы пьезокварцевые с согласованной ориентацией. Соединение мембраны и основания герметичное, внутренняя полость вакуумирована (датчик абсолютного давления) либо поддерживается под опорным давлением (датчик избыточного давления). В последнем случае в основание вводится штуцер, подводящий опорное давление. На мембране выполняются токоподводящие дорож-162

\ ч\ Ч

СЧР

f1

Рис. 5-22. Варианты конструкций с планарным БЧЭ:

В - выступы на мембране; О - отверстия в СЧР; М - мембрана

ки, проходящие через зону соединения мембраны с основанием и предназначаемые для подключения ПР к внешней электронной схеме. После соединения резонатора с мембраной к этим дорожкам с помощью токо-проводящей пасты либо тонких проволочек подсоединяются выводы резонатора. Поскольку монтажные поверхности открыты, сборка не вызывает затруднений. При необходимости имеется возможность вести настройку частоты резонатора как до герметизации - на открытом резонаторе, так и после герметизации - через основание, если обеспечить его высокую оптическую прозрачность для лазерного излучения.

Для исключения контакта активной области пьезоэлемента с поверхностью мембраны приемлемы несколько решений:

установка резонатора на выступах, выполняемых непосредственно на мембране, либо с помощью дополнительных прокладок; установка резонатора над углублением в мембране (рис. 5.22 ,б);

установка "на замок", при которой на мембране формируются выступы, а на резонаторе ответные отверстия (или углубления).

Химическое фрезерование обеспечивает в этом случае высокую точность (вьипе 3 мкм). При этом резко упрощается операция "посадки" резонатора вдоль требуемого азимута мембраны и обеспечивается возможность автоматизации монтажа (рис. 5.22,в).

Планарная конструкция БЧЭ позволяет реализовать и датчики дифференциального типа с двумя резонаторами. Если в схеме только один резонатор силочувствительный, то опорный может быть установлен