Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 [39] 40 41 42 43 44 45

0- Ol м/Н


О JO 60 90 120 IbO 180 (f> a)

-90 -60 -30

0 30 60 90 6)

Рис. 8.11. Чувствительность ПАВ к механическим нагрузкам:

а - тензочувствительность дисков (У- и 5Г-срезов; радиальные усилия вдоль азимута ф в плоскости диска); 6 - изгиб прямоугольной пластины ф - угол среза; X - длина пластины)

других Используют ПАВ-приборы F- и Г-среза. Их силовая чувствительность иллюстрируется рис. 8.11. Экспериментально установлено, что силовая чувствительность ПАВ-резонаторов не совпадает с силовой чувствительностью линий задержки. Это имеет место как в случае простейших однородных нагрузок подложек, так и для более сложных схем нагружения. По-видимому, здесь играют роль два основных фактора:

структура отражателей создает при механических воздействиях концентрации напряжений на поверхности деформируемой подложки;

характер распределения энергии в полости резонатора отличается от характера распределения энергии по длине линий задержки.

Следует отметить, что указанные эффекты плохо поддаются количественной оценке.

8.9. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ СИЛОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПАВ

В датчиках механических величин на ПАВ обычно используются чув-ствительнью элементы с дифферещиальным включением ПАВ-преобразователей. Недифференциальные схемы и>за проблем передачи ВЧ-сиг-налов практически не применяются. При конструировании СЧЭ на ПАВ имеется достаточно большая свобода выбора топологии дифферетщаль-ного преобразователя [26, 160, 168]. Укажем основные варианты.

1. Два ПАВ-преобразователя, образующие дифференциальную схему, могут быть сформированы на одной поверхности подложки (рис. 8.12,д, б,ж). Это наиболее простой в технологическом отношении вариант ЧЭ. Однако здесь далеко не всегда удается подвести измеряемое силовое воздействие таким образом, чтобы ПАВ-элементы изменяли свои параметры дифференциально, т.е. в равной степени, но с противоположными 236

F а)

г) F

ВШ/7

ВШП У


Л) I

Рис. 8.12. Силочувствительные элементы на ПАВ

знаками. В ряде случаев приходится идти на уменьшение чувствительности - один из преобразователей размещается в зоне, свободной от деформаций. При этом преобразователи целесообразно вьшолнять идентичными, что обеспечивает подавление дрейфа нуля от температуры и упрощает унификацию электронной схемы (рис. 8.12,д). Принципиально в плоскости подложки возможно и неколлинеарное (под углом) размещение двух преобразователей ДСЧЭ (рис. 8.l2,jr-M). Следует, однако, помнить, что температурные характеристики ЛЗ или резонаторов прямо определяются направлением распространения ПАВ. Таким образом, в общем случае дифференциальная схема с неколлинеарными преобразователями не дает эффекта снижения температурной погрешности нуля. Добиться этого снижения можно двумя способами:



выбором двух неколлинеарных направлений, характеризующихся равными ТКЗ (или ТКЧ) ;

выбором среза подложки, обеспечивающим на ней по двум направлениям нулевые ТКЗ (ТКЧ).

Особенности симметрии кристаллов пьезокварца дают известный простор для реализации указанных способов. В качестве примера снова сощлемся на [164], где предложена комбинация, состоящая из двух ПАВ-преобразователей, выполненных на подложке среза F/-i-34° под углом 90°. Оба преобразователя обладают нулевым ТКЗ, что позволяет создать дифференциальные СЧЭ для контроля усилий типа сжатие-растяжение (рис. 8.12,jr) и усилий сдвига (рис.8.12,з).

2. В ряде случаев оказывается выгодным размещение ПАВ-преобразователей на двух плоскостях подложки. Технологически это пред-ставлйет известное усложнение в сравнении с. планарным вариантом с одной рабочей поверхностью, однако практически это возможно и обеспечивает выигрыш в габаритах приборов. Здесь имеются два варианта взаимной ориентации рабочих плоскостей: параллельная и непараллельная. В плане требований дифференциальности первый из них проще и в этой связи получил достаточно большое распространение. Разновидность конструкций СЧЭ с двумя рабочими плоскостями представлена на рис. 8.12,в; на них можно распространить все соображения, касающиеся выбора топологии СЧЭ с одной рабочей плоскостью.

3. Дважды дифференциальные схемы. Они содержат четыре ПАВ-преобразователя, два - на одной плоскости, два - на другой. Возможны и варианты с двумя дискретными СЧЭ, а также с размещением всех четырех преобразователей в одной плоскости. Оптимально, когда рабочими являются все четыре элемента (два - с положительным наклоном рабочей характеристики, два - с отрицательным).

Благодаря локализации ПАВ в приповерхностном слое подложки открывается возможность строить интегральные СЧЭ, в которых конструктивно обьединяется целый ряд функциональных узлов датчиков. В этом отношении преимущества ПАВ-датчиков над датчиками на ОАВ очевидны. В ПРД на ОАВ основная разновидность чувствительного элемента -пластина, у которой вибрируют обе большие плоскости, поэтому конструкцию можно равивать только с торцов. В случае ПАВ это развитие может идти и вглубь от рабочей поверхности. Вследствие этого легко реализуется интегрирование СЧЭ с элементами крепления и упругой развязки от боковых компонентов (рис. 8.12,е,л:), защиты от перегрузок (рис. 8.2,л), механического усиления (рис. 8.12,л), трансформации упругих напряжений (рис. 8.12,г,д) и тд. Здесь находят применение все современные методы формообразования (механическая обработка, химическое фрезерование,ионное травление и т.п.).

8.10. ПАВ-ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Конструкции датчиков давления на ПАВ отличаются уровнем конструктивной интеграции функциональных элементов [168-183].

Наиболее низким уровнем [25] обладают дискретно-компонентные датчики давления. Основное их отличие состоит в том, что преобразование давления в деформации ПАВ-преобразователя осуществляется в два этапа: сначала с помощью дискретного упругого элемента (чаще всего мембраны или сильфона) давление преобразуется в перемещение либо в усилие; затем это воздействие прикладьшается к СЧЭ на ПАВ.

Более высокий уровень интеграции имеют конструкции, в которых подложка с преобразователями на ПАВ служит одновременно и упругим (обычно мембранным) элементом. Дополнительный дискретный УЭ, характерный для классических конструкций, в этом случае, как правило, отсутствует. В тех конструкциях, где он остается, его основной функцией является разделение рабочего объема с ПАВ-преобразователем и среды, в которой измеряется давление. При этом разделительный УЭ -обычно вялая мембрана или сильфон - вьшолняет функции повторителя давления.

В двух подобных конструктивных вариантах ПАВ-преобразователи выполняются на мембране. Простейший из них - с плоской мембраной. Более сложный - с профилированной (интегральной) мембраной: развитая по толщине периферия позволяет в значительной мере устранить влияние дестабильности механических соединений в местах заделки. Возможности снижения погрешностей временного дрейфа и гистерезиса в подобных конструкциях достаточно убедительно продемонстрированы в полупроводниковых датчиках давления [25]. Конструкции с дискретным СЧЭ и с плоской мембраной более просты с точки зрения изготовления элементов: ПАВ-преобразователи вьшолняются по стандартной технологии. Большая сложность изготовления датчиков с интегральной мембраной, однако, окупается более высоким уровнем достижимых точностей, и, что не менее важно, меньшей сложностью процессов сборки.

Рассмотрим основные варианты конструкций.

а) Дискретно-компонентные датчики давления

Варианты кинематических схем дискретно-компонентных датчиков приведены на рис. 8.13.

В схеме (рис. 8.13,д) усилие, пропорциональное давлению, передается с мембраны на СЧЭ-пластину с двумя ПАВ-преобразователями на ней. Один из них расположен в зоне действия усилий, сжимающих подложку, второй ПАВ-преобразователь, играющий роль опорного, в дифференциальной схеме практически свободен от действия усилий благодаря изолирующей прорези в подложке. Как показано в § 2.2, схемы прямого нагружения обладают сравнительно низкой чувствительностью, вслед-





Рис. 8.13. Датчики давления с дискретным силочувствительным элементом на ПАВ:

М - мембрана; К - корпус; УШ - упругий шарнир; Р - рычаг; С - сильфон

ствие чего даже при минимальных размерах кристалла они пригодны для сравнительно больших поминальных давлений (> Юкг/см).

Верхшй предел измеряемых давлений в такой схеме прямого нагружения можно сделать практически б1шзким к предельно допустимым напряжениям сжатия пьезокварца (примерно 2400 МПа), если вьпюл-иить СЧЭ в виде цилиндра с сечением, практически совпадаюшим с се-

чением рабочей зоны мембраны (рис. 8.13,6). В этом случае ПАВ-струк-тура формируется на плоскости, выполненной вдоль образующей цилиндра.

В схеме с прямым иагружением конструкции (рис. 8.13,в) дифференциальный СЧЭ содержит два ПАВ-преобразователя (ЛЗ либо резонаторы) , ориентированные под прямым углом. При подаче давлешя один из них сжимается, а второй растягивается. Номинальное давление может в широких пределах варьироваться выбором параметров мембраны и СЧЭ. Изменять чувствительность можно как за счет вариации толщины пьезоподложки, так и с помощью ослабляющих сквозных отверстий в теле СЧЭ (рис. 8.13,в). Подобная конструкция пригодна для реализации и дважды дифференциальной схемы. В этом случае вторая дифференциальная пара ПАВ-преобразователей может размещаться на тыльной плоскости СЧЭ.

В конструкции рис. 8.13,лс усилие на ПАВ-преобразователь передается через механический трансформатор, присоединенный одним концом рычага к входному сильфону, а вторым - к ЧЭ 7. При эффективном сечении сильфона s усилие F на ЧЭ 7 составит

f = spljl.

(8.20)

Опорный ПАВ-преобразователь 2 в целях устранения влияния температурного градиента присоединен к тому же упругому элементу, что и рабочий [176].

Среди датчиков давления с повышенной чувствительностью следует вьщелить показанные на рис. 8.13,г, д, е. Датчик на рис. 8.13,д реализован по классической схеме мембрана-консольный СЧЭ. При действии давления напряжения на верхней и нижней плоскостях консоли имеют противоположные знаки.

Коллинеарное расположение верхнего и нижнего преобразователей обеспечивает дифференциальный выход. Консольная схема - классическая для тензометрии. Различные модификации ее могут быть реализованы и на ПАВ-приборах. Консольная схема обладает двумя существенными недостатками; один из них - нелинейность, вызванная изменением крутизны характеристики деформациями консоли. С увеличением прогиба ее конец движется по радиусу, плоскость консоли становится неортогональна направлению усилия, развиваемого мембраной. Кроме того, габаритный размер датчика используется неэффективно - длина консоли примерно равна половине диаметра мембраны. Указанные недостатки преодолеваются в схеме рис.8.13,г. Здесь подложка с преобразователем опирается по периферии, а нагрузка с мембраны прикладывается в ее центр. В схеме рис. 8.13,е подложка с ПАВ-преобразователем выполнена в виде диска, зажатого по периферии, ПАВ распространяется по диаметру подложки. Вблизи звукопровода в подложке вьшолнены сквозные пазы, играющие роль концентраторов напряжений. Усилие, развиваемое мембраной, передается в область распространения ПАВ через шток.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 [39] 40 41 42 43 44 45



0.0125