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

Выемка в его нижней части обеспечивает свободное распространение ПАВ по подложке. В схеме рис. 8.13,е в отличие от консолыюй схемы пере\ющение точки сочленения чувствительного элемента с силопереда-ющим штоком 5а счет специальных прорезей в подложке происходит строго вдоль оси штока, что обеспечивает повьпиение линейности.

б) Датчики давления с ПАВ-преобразователями на плоской пьезокристаллической мембране

П{Ж конструировании таких датчиков необходимо учитывать ряд специфических моментов.

1. Рабочая поверхность мембраны, на которой размещаются ПАВ-преобразователи, должна й>1ть защищена от воздействия среды, давление в которой измеряется. ПАВ-преоазователи должны работать в вакууме либо в инертном очищенном газе при давлениях не более 100-200 кПа. В последнем случае во внимание следует принимать баллонный эффект - ва1жацию избыточного давления под мембраной, возникающего при вариации температуры.

2. Пр1поверхностный слой, в котором локализуется ПАВ, составляет несколько длин волн. Толщина мембраны должна быть не менее (3-5) Хо, в противном случае на стабильность датчика начинают влиять эффекты взаимодействия ПАВ со второй поверхностью мембраны. В этом плане выгодно увеличивать рабочую частоту ПАВ (уменьшать длину волны). Так, на частоте 400 МГц X = 4 мкм и глубина проникновения ПАВ составляет приме{»ю 10-15 мкм, а минимальная приемлемая толщина мембраны 15-20 мкм.

Варианты конструкций датчиков давления с плоской мембраной приведены на рис. 8.14 [ 26,168, 173,174].

Схемы {жс. 8.14,а,г предназначены для измерений абсолютного и из-йаточного давления. Два преобразователя дифференциальной схемы размещаются на одной подложке. В схеме рис. 8.14,6 мембрана, основание и колыхо также выполняются из пьезокварца. Все элементы имеют один и тот же срез и идентично ориентированы, что обеспещвает, как и в случае кварцевых БЧЭ на ОАВ, снижение температурных погрешностей. В этой схеме на мембране формируется чувствительный элемент, на основании - опорная ПАВ-структура дифференциальной схемы. Если толщина основания много больше, чем мембраны, датчик может использоваться для измерения абсолютных либо избыточных давлений. Если толщины мембраны и основания равны, при дифференциальном включении преобразователей реализуется режим измерения разности давлении, подводимых к верхней и нижней мембранам. Однако на практике для измерения разности давлений требуется высокая степень идентичности рабочих характеристик двух плеч датчика. Несколько проще обстоит дело в случае датчика перепада давления, вьшолненного по схеме с силопередающим штоком (рис. 8.14, в). Здесь эффект неидентичности мембран частично ослабляется благодаря наличию жесткой связи между ними через центральный стержень. 242


ЛАВ1

nABi

a) iy


ПАВ,


Рис. 8.14. Конструкции датчиков давления с плоскими пьеэокрнсталлическими мембранами

Рис. 8.15. Чувствительность к давлению резонаторов на мембранах У- и 57"-сре-зов в функции расстояния от центра IxJD

Пр! конструировании мембранных датчиков наиболее важным является оптимальный выбор топологии ПАВ-преобразователей и их размещения на мембране.

Если дифференциальная схема строится с одним рабочим преобразователем, второй - onofSibni - может быть сформирован на той же поверхности мембраны, в зоне, свободной от деформаций при воздействиях давления. Очевидно, что по соображениям повышения чувствительности, рабочий преобразователь следует размещать вдоль диаметра мембраны. При этом следует учитьшать, чго радиальные деформации в центре и на периферии мембраны имеют противоположные знаки. По указанной причине слишком большая длина ПАВ-преобразователя npi-ведет к снижению чувствительности из-за частичной компенсации эффектов в областях с положительными и отрщательными деформациями. В предельном случае максимальной чувствительностью обладает ПАВ-



преобразователь, стянутый в точку в центре либо на краю мембраны, где радиальные деформации максимальны. Однако на практике уменьшение дпины ПАВ-преобразователя влечет за собой ухудшение электрических характеристик приборов. При выборе оптимальной длины следует учитьтать, что смена знака деформаций в мембране происходит на расстоянии от центра, превышаюшем половину радиуса. Если ПАВ-преобразователь выходит за эту границу, чувствительность к давлению падает с увеличением его длины.

На чувствительность к давлению решающим образом влияют срез мембраны, азимутальная ориентация ПАВ-преобразователя, тип ЧЭ (ЛЗ или резонатор), его размеры и положение на мембране.

В практическом отношении представляет интерес сравнение нормированной чувствительности к давлению

1 Э/

(821)

ДЛЯ мембранных датчиков с ПАВ-резонаторами на подложках ST- и Г-среза. На pic. 8.15 представлены расчетные зависимости чувствительности в функции расстояния оси резонаторов от центра мембраны IxjD. Из графиков видно, что для Г-среза чувствительности для центрального (Z = 0) и периферийного {X 0,8/)) резонаторов примерно равны по значению и противоположны по знаку, чем обеспечивается удвоение чувствительности в дифференциальной схеме. В случае ST-cpe-за этого не происходит и дифференциальная схема на Г-срезе оказывается почти вдвое более чувствительной, чем на срезе ST. Расчетные и экспериментальные значения чувствительности к давлению совпадают для Г-среза достаточно хорошо. Для Г-среза экспериментальные результаты дают примерно в пять раз меньшие значения, нежели предска-зьтаемые теорией. Это ставит под вопрос целесообразность построения мембранных датчиков давления на Г-срезе.

Окончательный ответ зависит от степени влияния наиболее существенного дестабилизирующего фактора - температуры. В дифференциальных схемах температурный дрейф определяется, как уже отмечалось, неидентичностью ТЧХ резонаторов. Если рассматривать один ПАВ-преобразователь Г-среза, то его чувствительность к температуре весьма высока - ТКЧ близок к 22 .10"* К". Однако в дифференциальной схеме на одной подложке разностная частота чувствительна к температуре почти в 1000 раз меньше. Это позволяет снизить температурную нестабильность в диапазоне ± 50 °С до уровня 0,1 - 0,2%. Таким образом, можно говорить о перспективности использования в мембранных датчиках давления подложек Г-среза. В датчиках мембранного типа в качестве ЧЭ используются как линии задержки, так и ПАВ-резонаторы. Последние позволяют, как уже отмечалось, достичь более высоких стабильностей частоты автогенератора. Одновременно резонаторные ЧЭ обнаруживают в мембранных датчиках и более высокую чувствительность к давлению. 244

Это нетрудно объяснить, если вспомнить, что наиболее активная область резонатора - резонансная полость между отражателями. Именно здесь локализуется энергия колебаний. Если резонатор расположен по диаметру мембраны, то полость оказывается в зоне наиболее интенсивных деформаций. В результате чувствительность резонаторного преобразователя в принципе выше, чем в cnjiae линии задержки, у которой энергия не локализована между ВШП, а более равномерно распределена по всей длине ЛЗ [170-174].

В конструкции рис. 8.14,г [173] плоская мембрана размещается между основанием и разделительным кольцом, чувствительными элементами служат два ПАВ-резонатора частотой 130 МГц, вьшолненные на верхней поверхности мембраны. Крьппка, присоединяемая к разделительному кольцу, служит для герметизации. Пространство между мембраной и Крышкой вакуумируется. Давление задается на нижнюю поверхность мембраны. Все элементы конструкции имеют одинаковую ориентацию относительно кристаллографических осей (Г-срез). Размеры основания 25,4x25,4 мм, диаметр отверстия в нем 12,7 мм. Толщина мембраны 0,38 мм, для обеспечения максимальной прочности она отполирована с обеих сторон. Отполированы и главные поверхности других деталей. Диаметр отверстия в кольце 19 мм. Фаски на кольце обеспечивают доступ к контактным площадкам ПАВ-структур на мембране. Барочувствительный элемент после сборки в вакууме монтируется в корпус датчика с помощью эластичного силиконового компаунда. Там же размещаются электронные компоненты. Датодк выполнен до дифференциальной схеме. Выходной сигнал лежит в килогерцевом диапазоне. Потребляемая мощность не превьпиает 1 Вт и может бЬ1ть значительно снижена.

Принципиальная особенность пр1бора - технология сборки. Для соединения кварцевых основания, мембраны и кольца применяется стекло глазурь, оплавляемая между соединяемыми деталями и обеспечивающая как вакуум-плотное соединение, так и низкий уровень гистерезиса. Заключительная сборочная операция - присоединение крышки -производится в вакууме. Для сборки используется эвтектика золото-олово, имеющая более низкую температуру соединения, нежели температура плавления стеклоглазури. Разработанный датчик имел следующие характеристики:

Рабочее давление, МПа.............. 0,35

Коэффициент преобразования, кГц/МПа 350

Нелинейность, % ................. 0,18

Гистерезис, %................... 0,06

Диапазон рабочих температур, °С....... -50 -г +100

Высокотемпературное соединение стеклоглазурью (*!400 °С) порождает большие остаточные напряжения в зонах соединений. Это является причиной изменения ТЧХ ПАВ-резонатора, если он размещается в непосредственной близости от этой зоны.



По указанной прашт в целях сохранения высокой ста&шы10сти нуля дифференциальной схемы целесообразно размещать резонаторы вдали от мест соединений. Этого можно добиться переходя на более высокие рабочие частоты, обеспечивающие пропорциональное уменьшение размеров резонатора. Заметно снижается влияние напряжений и при замене плоских мембран на интегральные с усилением толстого периферийного кольца.

Такое конструктивное решение реапизовано в дифференциальном ПАВ-датчике, описанном в [159]. Профилированная мембрана У-среза имела отношение толщины к диаметру 1,75 -10", рабочая частота резонаторов составляла 100 МГц. Датчик имел следующие характеристики:

Рабочее давпенне, МПа.............. 0,1

Коэффициент преобразования, кГц/МПа . . 760

Нелинейность и гистерезис, %......... 0,3

Температурная погрешность в диапазоне температур:

20~60°С,%................. 0,7

20~85°С,%................. 1,6

в) Датчики давления с интегральными мембранами

Интегральной мембраной назовем мембранный упругий элемент (плоский или профилированный), объединенный с периферийным элементом крепления. Обычно такой элемент имеет форму кольца, жесткость которого значительно превышает жесткость мембраны.

Варианты конструктивных решений датчиков давления с интегральными мембраналда (ИМ) представлены на рис. 8.16 [159, 168, 171]. Простейшая конструкция рис. 8.16/г содержит ИМ с высотой по внешнему контуру в 2-50 раз большей толщины мембраны. ПАВ-структура размещается на верхней плоскости мембраны. Давление задается черлз входное отверютие ВО, вьшолненное в основании О. Как правило, для согласования ТК основание также вьшолняется из кварща. На рис. 8.16,6 приведена конструкция с жестким центрюм. В конструкции .рис. 8.16,в рабочая область формируется в виде углубления с помощью выборки материала алмазной фрезой.

ПАВ-датчик с защитой от деформаций корпуса К показан на рис. 8.16,г. Здеа> в конструкцию введена развязывающая втулка В, в значительной степени снимающая паразитное влияние деформаций корпуса. Следует, однако, учитьшать, что это не дается даром - конструкция становится более виброчувствительной. Усложняется и обеспечение герметичности подмембрзанного прострмнства.

На рис. 8.16,d приведен вариант датчика давления, вьшолненного в виде заглушённого полого цилиндра. ПАВ-преобразователь размещен на плоскости снаружи цилиндра. Избыточное давление подводится

BHJTpb.

Дестайшизирующее влияние срлды во многих случаях исключает возможность реализации на интегральных мембранах датчиков разности


Рис. 816. Датски давления с интегральными мембранами

давлений. Исключение составляют датчики, предназначенные для работы с инертными, очищенными газами низкого давления.

В более общем случае может использоваться двухмембранный датчик ражостного давления по схеме рис. 8.14,6. Разность давлений может й>ггь определена по разности приращений частот двух ЧЭ. Однако для этого снова необходимо иметь преобразователи с равными чувствитель-ностями. В ряде случаев более легьсим является проведение вычисления ражости давлений с учетом чувствительностей каждого из элементов и величины статического подпора.

Для борлбы с влиянием температур*! народу с уже упомянутыми путями (дифференциальные схемы, термоста&шьные сркзы, термокомпенсация генераторюв, внехпние термостаты) иногда полезно использовать и еще один резерв - формирование на чувствительном элементе входящих в контур термостабилизации интегрального нагрювателя и пленочного терилорезистивного датчика. С помощью этих элементов и внешней схемы регулирования температура кристалла поддерживается близкой к постоянной. Можно пойти и по другому пути, организовав на кристалле В&1ИЗИ мембраны и ПАВ-датчик температуры. В конструкции [182] термодатчик сформирован на дополнительной плоскости, ориентация Вьшолненного на ней ПАВ-преобразователя обеспечивает его высокую чувствительность к температур». Это может использоваться либо для термостабилизации кристалла, либо для ввода поправок в показания датчика давления.



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



0.0013