RU1795315C - Variable-capacitance pressure transducer and method of manufacture - Google Patents
Variable-capacitance pressure transducer and method of manufactureInfo
- Publication number
- RU1795315C RU1795315C SU904893600A SU4893600A RU1795315C RU 1795315 C RU1795315 C RU 1795315C SU 904893600 A SU904893600 A SU 904893600A SU 4893600 A SU4893600 A SU 4893600A RU 1795315 C RU1795315 C RU 1795315C
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- housing
- plate
- quartz
- radius
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Изобретение относитс к измерительно и технике и может быть использован дл измерений малых переменных и квазистатических давлений в газообразных и жидких средах. Цель - повышение чувствительности и точности измерений. Сущность из эбретени : пьезокварцевый датчик лени содержит корпус 1 с размещенным в нем кварцевым пьезозлементом 2 в виде круглой пластинки Х-среза, на которую нанесены электроды 6 и 7, соединенные, соответственно , с корпусом 1 и выходом 5 датчика. Особенностью датчика вл етс то, что в нем пластинка 2 жестко защемлена по периферии в корпусе 1 датчика, образу мембрану, а электрод 7, соединенный с выходом 5 датчика, расположен в центральной части пластинки 2, ограниченной радиусом в 0,63 от радиуса пластинки. Дл упрощени креплени в корпусе 1 пьезоэлемент 2 может быть выполнен в виде колпачка с дном, вл ющимс мембраной, и стенками, закрепленными на основании корпуса 1, причем толщина стенок не менее, чем вдвое превышает толщину дна, з высота превышает радиус колпачка. 1 з.п. ф-лы. 4 ил. (Л СThe invention relates to measurement and technology and can be used to measure small variables and quasi-static pressures in gaseous and liquid media. The goal is to increase the sensitivity and accuracy of measurements. Essence of ebrenis: a piezoelectric quartz sloth sensor contains a housing 1 with a quartz piezoelectric element 2 placed in it in the form of a circular X-slice plate on which electrodes 6 and 7 are applied, connected, respectively, with the housing 1 and the sensor output 5. A feature of the sensor is that in it the plate 2 is rigidly clamped around the periphery in the sensor housing 1, forming a membrane, and the electrode 7 connected to the output 5 of the sensor is located in the central part of the plate 2, limited by a radius of 0.63 from the radius of the plate. To simplify fastening in the housing 1, the piezoelectric element 2 can be made in the form of a cap with a bottom, which is a membrane, and walls fixed to the base of the housing 1, wherein the wall thickness is not less than twice the thickness of the bottom, and the height exceeds the radius of the cap. 1 s.p. f-ly. 4 ill. (L C
Description
Изобретение относитс к информационно-измерительной технике и может найти применение дл точных измерений переменных и квазистатических давлений.The invention relates to information measurement technology and may find application for accurate measurements of variable and quasi-static pressures.
Известные типы отечественных пьезок- Карцевых датчиков давлени построены с применением пьезоэлементов из кварца X- среза. работающих на пр мом пьезоэффек- те С продольной или поперечной пол ризацией элемента. Важнейшими достоинствами этих датчиков вл ютс высока Надежность, широкий диапазон рабочих . температур, высокие траничные частоты (пор дка сотен килогерц), малые габариты и масса. Упругочувствительные элементы из кварца, примен емые в этих датчиках, обуславливают малые собственные шумы и низкие пороги чувствительности, что позвол ет получать динамический диапазон более 100 дБ на одной конструкции пьезопакета. Использование в качестве промежуточного преобразовател усилител зар да позвол ет примен ть эти датчики в самых сложных услови х эксплуатации.,Known types of domestic piezo-piezoelectric pressure sensors are constructed using piezoelectric elements from quartz X-section. operating on a direct piezoelectric effect With longitudinal or transverse polarization of an element. The most important advantages of these sensors are high Reliability, a wide range of workers. temperatures, high tread frequencies (on the order of hundreds of kilohertz), small dimensions and mass. The quartz elastic elements used in these sensors cause low intrinsic noise and low sensitivity thresholds, which allows obtaining a dynamic range of more than 100 dB on a single piezoelectric package design. The use of a charge amplifier as an intermediate converter allows these sensors to be used in the most difficult operating conditions.,
Общеизвестно, что кварц обладает практически идеальными упругими свойствами , что обуславливает его применение дл изготовлени упругих элементов прецизионных устройств. На пр мом пьезоэффек- те кварца потенциально возможно создание высокоточных датчиков, характеризуемых простотой конструкции и измерительной цепи. Вместе с тем, точность измерений известных датчиков ограничиваетс значени ми 0,5-1,0%, что св зано прежде всего с погрешност ми силовведени и силораспределени . Недостатки, ограничивающие точность измерений, св заны с построением силовой цепи по традиционной схеме, а именно: среда - промежуточный элемент (сильфон или мембрана ) - смловвод щие детали - пьезоэ- лементы. Таким образом, в силовой цепи датчика имеет место целый р д стыков, обладающих нестабильной жесткостью, которые привод т к искажени м механических полей в пьёзоэлементах и по влению контактных напр жений. Кроме того, наличие устройств, предварительного нат жени пьезоэлементов, без которых невозможно обойтись и датчиках с наборными пье зрпа- кетами, приводит к шунтированию сиповой цепи датчика и возникновению пол дополнительных механических напр жений в пьёзоэлементах ,-которое в общем случае неоднородно и обуславливает нестабильность градуировочной характеристики датчика .It is well known that quartz has practically perfect elastic properties, which leads to its use in the manufacture of elastic elements of precision devices. On the direct piezoelectric effect of quartz, it is potentially possible to create high-precision sensors characterized by simplicity of design and measuring circuit. At the same time, the measurement accuracy of known sensors is limited to 0.5-1.0%, which is primarily associated with errors in power input and power distribution. The disadvantages that limit the accuracy of measurements are associated with the construction of the power circuit according to the traditional scheme, namely: medium - an intermediate element (bellows or membrane) - smolevodyaschie details - piezoelectric elements. Thus, in the sensor power circuit there are a number of joints with unstable rigidity, which lead to distortion of the mechanical fields in the piezoelectric elements and the appearance of contact stresses. In addition, the presence of devices, pre-tensioning piezoelectric elements, which can not be dispensed with, and sensors with built-in piezoelectric packages, leads to a bypass of the sensor siphon and the emergence of additional mechanical stresses in the piezoelectric elements, which is generally inhomogeneous and causes instability of the calibration sensor specifications.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) следует считать конструкцию датчика давлени , описанного в швейцарском патенте. Этот датчик, патентуемый фирмой Kistler, выполнен с учетом р да рекомендаций по снижению погрешностей силовведени . Это прежде всего использование пьезоэлементов, работающих на поперечном пьезоэффекте кварца, и анализ способов изготовлени этих пьезоэлементов из монокристалла, направленных наThe closest technical solution (prototype) should be considered the design of the pressure sensor described in the Swiss patent. This sensor, patented by Kistler, is designed to meet a number of recommendations for reducing power input errors. This is primarily the use of piezoelectric elements operating on the transverse piezoelectric effect of quartz, and an analysis of the methods for manufacturing these piezoelectric elements from a single crystal, aimed at
снижение случайных составл ющих погрешностей датчика от вли ющих факторов. Целью насто щего изобретени вл етс повышение чувствительности и точности преобразовани датчиков давлени на основе пр мого пьезозффекта кварца.reduction of random components of the sensor errors from influencing factors. The aim of the present invention is to increase the sensitivity and accuracy of the conversion of pressure sensors based on the direct piezoelectric effect of quartz.
Полностью реализовать потенциальные возможности кварца позволит конструкци датчика, в которой отсутствуют промежуточные звень , передающие измер емую нагрузку на пьезоэлемент. Поскольку среди известных типов кварцевых пьезоэлементов не существует таких, у которых естественной входной .величиной вл етс давление, автором был проведен анализThe potential of the quartz will be fully realized by the sensor design, in which there are no intermediate links that transmit the measured load to the piezoelectric element. Since among the known types of quartz piezoelectric elements there are no such for which the natural input value is pressure, the author analyzed
возможных способов построени кварцевых упругочувствительных элементов, вытекающих из матрицы пьезомодулей кварца. На фиг. 1-4 изображено: 1 - корпус датчика; 2 - кварцевый пьезоэлемент в видеpossible methods for constructing quartz elastically sensitive elements arising from a matrix of quartz piezoelectric modules. In FIG. 1-4 depict: 1 - sensor housing; 2 - quartz piezoelectric element in the form
круглой пластинки радиуса R и толщиной h, основание которой перпендикул рно кри- сталлофизической оси X кварца; 3-элемент объема пластинки с текущими координатами г, р в пол рной системе координат, ограничейный площадью dS и толщиной пластинки h, на который действуют механические напр жени Oi и аз; оси кварца в повернутой системе координат X, Y , Z : б, 7 - электроды, один из которых (6) соединен сa circular plate of radius R and thickness h, the base of which is perpendicular to the crystallophysical axis X of quartz; 3-element of the plate volume with the current coordinates r, p in the polar coordinate system, limited by the area dS and the plate thickness h, which are subjected to mechanical stresses Oi and az; quartz axis in a rotated coordinate system X, Y, Z: b, 7 - electrodes, one of which (6) is connected to
корпусом 1, а второй (7) - с электрическим выводом 5, изолированным от корпуса 1 с помощью изолирующей втулки 4; Р - измер емое давление; уплотнение 8, представл ющее собой слой герметика; на фиг.Зthe housing 1, and the second (7) with an electrical terminal 5, isolated from the housing 1 using an insulating sleeve 4; P is the measured pressure; a seal 8, which is a sealant layer; on figs
изображена плоскость пьезоэлемента в кристаллофизических ос х кварца X, Y, Z и поверхность, характеризующа распределение удельной плотности зар да по площади пьеэоэлемента, при его изгибе.The plane of the piezoelectric element in the crystallophysical axes of quartz X, Y, Z and the surface characterizing the distribution of the specific charge density over the area of the piezoelectric element during its bending are shown.
Датчик работает следующим образом.The sensor operates as follows.
При действии измер емого давлени Р (см. фиг.1) происходит прогиб пьезоэлемента 2, жестко защемленного в корпусе 1 датчика .Under the action of the measured pressure P (see Fig. 1), the piezoelectric element 2 is deflected, which is rigidly clamped in the sensor body 1.
в дисковом пьезоэлементе 2 (см. фиг.2), который используетс в предлагаемом датчике , при прогибе под действием разности давлений х; двух сторон диска возникают механические напр жени .in a disk piezoelectric element 2 (see Fig. 2), which is used in the proposed sensor, when deflected by the pressure difference x; mechanical stresses occur on both sides of the disk.
(1;-+./i.)-r2-(3+/Ol(1; - +. / I.) - r2- (3 + / Ol
+/0(1+3/0, + / 0 (1 + 3/0,
0) где Р - внешнее (измер емое) давление;0) where P is the external (measured) pressure;
Стг - радиальные нормальные напр жени ;Cr is the radial normal stress;
i cup - окружные нормальные напр жени ;i cup - circumferential normal stresses;
| ц- коэффициент Пуассона; ; R d/2 - радиус пластинки; j r - текуща координата в пол рной системе координат;| q is the Poisson's ratio; ; R d / 2 is the radius of the plate; j r is the current coordinate in the polar coordinate system;
i При действии этих напр жений на каж- дом элементарном участке поверхности пьёзоэлемента dS (см. фиг.2) образуютс пол ризационные электрические зар ды.i Under the influence of these voltages, polarizing electric charges are formed on each elementary part of the surface of the piezoelectric element dS (see Fig. 2).
dQ-(di2 02 + di3 u)dS dS rdrdydQ- (di2 02 + di3 u) dS dS rdrdy
где 03, c,where 03, c,
di2 и di3 - значени пьезрмодулей в di2 and di3 are the values of the piezoelectric modules in
ристеме координат XY Z1 (при повороте вокЬуг оси X на произвольный угол р), равныеthe coordinate system XY Z1 (when turning the X axis on an arbitrary angle p), equal
соответственно:respectively:
di2 di2 cos2 р + dn sin pcos # dis di2 sin2(p- di4 J,di2 di2 cos2 p + dn sin pcos # dis di2 sin2 (p- di4 J,
(3(3
Причем di2 и dn - табличные значени пье- зЬмодулей кварца,Moreover, di2 and dn are tabular values of the quartz modules of quartz,
I После подстановки в (2) значений ог, оз, CJ12, dis и промежуточных преобразований Получаем:I After substituting in (2) the values of og, oz, CJ12, dis and intermediate transformations, we obtain:
dQ 3 4 cH2R3(1 + ,) 2di2r2R(1 +p) +dQ 3 4 cH2R3 (1 +,) 2di2r2R (1 + p) +
О hOh h
+ di2T2Rcos2(1 -/) + + -fifldrd p+ di2T2Rcos2 (1 - /) + + -fifldrd p
Анализ выражени (4) показывает, что наличи периодических функций эле- м нтарные зар ды распределены по поверхности неравномерно и могут измен ть з4ак, что при пр мом интегрировании при- вадет к взаимной компенсации зар дов. По- вфхностный зар д зависит от координаты г и угла р (с периодом изменени 180°). Введем обозначени ; r/R or, дл кварца dij /di2e 0,29; ns 0,3, тогда:An analysis of expression (4) shows that the presence of periodic functions of elementary charges is unevenly distributed over the surface and can vary by 4, which, when directly integrated, will lead to mutual compensation of charges. The surface charge depends on the coordinate r and angle p (with a period of variation of 180 °). We introduce the notation; r / R or, for quartz dij / di2e 0.29; ns 0.3, then:
d Q 3 . D R3d Q 3. D R3
gd,2Pgd, 2P
где g - удельна плотность поверхностных зар дов,where g is the specific density of surface charges,
g 1,3 + u(0,7cos2 p+ 0,2sln2 p.- 2,6) (5)g 1.3 + u (0.7cos2 p + 0.2sln2 p. - 2.6) (5)
1010
Трехмерна поверхность, построенна на основании полученной формулы (5), показана на фиг.З, штриховкой показана часть поверхности пьезоэлемента, на которой ге ,(- нерируемые зар ды положительны. Значение (О, при котором происходит изменение знака зар да на максимальном рассто нии от центра, равно 0,63. Поэтому дл сьема зар дов следует ограничитьс центральнымThe three-dimensional surface, constructed on the basis of the obtained formula (5), is shown in Fig. H, the hatching shows the part of the surface of the piezoelectric element, on which ge, (- non-irradiated charges are positive. Value (О, at which the sign changes in charge at the maximum distance from the center, equal to 0.63. Therefore, to remove the charges should be limited to the central
20 кругом на поверхности пьезоэлемента с радиусом 0,63R, Полный зар д, генерируемый на электродах пьезоэлемента при действии давлени Р, можно определить, интегриру элементарный зар д dQ по площади нане- 25 сени электрода на пьезоэлементе:20 around the surface of a piezoelectric element with a radius of 0.63R, The total charge generated on the electrodes of the piezoelectric element under the action of pressure P can be determined by integrating the elementary charge dQ by the area of application of the electrode 25 on the piezoelectric element:
0,63 R 1Пл Р40.63 R 1pl P4
Овых. / /dQ di2(1 +ft) -P (6) oo° hOvikh. / / dQ di2 (1 + ft) -P (6) oo ° h
30 Таким образом, выходна величина датчика линейно зависит от измер емого дав- а максимальное измер емое30 Thus, the output value of the sensor linearly depends on the measured pressure and the maximum measured
лени ,laziness
давление определ етс по формуле:pressure is determined by the formula:
3535
hh
. Pmax g- Одоп. (15 }. Pmax g- Odop. (fifteen }
гдеадоп. -допустимые механические напр жени дл квзрцэ.whereadop. Permissible mechanical stresses
40 : . Избежать необходимости защемлени краев хрупкого кварцевого диска можно путем замены его на чувствительный элемент в виде колпачка (см. фиг.4), который крепитс в датчике с помощью герметика. При дей45 ствии измер емого давлени дно колпачка прогибаетс , повтор напр женное состо ние защемленного по кра м диска, а неидеальность креплени будет сказыватьс на стабильность чувствительности датчика в40:. The need to crush the edges of a brittle quartz disk can be avoided by replacing it with a sensitive element in the form of a cap (see Fig. 4), which is secured to the sensor with a sealant. Under the influence of the measured pressure, the bottom of the cap bends, the repeated stress state of the disk clamped along the edges, and the imperfect attachment will affect the stability of the sensor sensitivity in
50 гораздо меньшей степени. Дл этого необходимо , чтобы толщина стенок колпачка (см. фиг.4) превосходила толщину дна по меньшей мере вдвое, а высота колпачка Н D/2. При необходимости, например, в случае50 much less so. For this, it is necessary that the wall thickness of the cap (see Fig. 4) is at least twice the bottom thickness and the cap height is H D / 2. If necessary, for example, in the case of
55 измерени давлени в агрессивных средах, кварцевый пьезоэлемент со стороны внешнего давлени может быть защищен в лой мембраной или химически стойким покрытием .55 for measuring pressure in aggressive environments, the quartz piezoelectric element from the external pressure side can be protected in a hollow membrane or chemically resistant coating.
Предлагаемое изобретение - датчик давлени - может быть использовано дл измерени с высокой точностью переменных и пульсирующих давлений в газообразных и жидких средах в широком диапазоне температур. Простота конструкции датчикаThe present invention, a pressure sensor, can be used to measure with high accuracy variable and pulsating pressures in gaseous and liquid media over a wide temperature range. Simplicity of sensor design
обеспечивает его высокую надежность. Расчетна чувствительность датчика с колпач- ковым пьезоэлементом - до Кл/Па, в серийном исполнении подобный датчик будет иметь случайную составл ющую и погрешность линейности не более 0,1-0,2%.provides its high reliability. The calculated sensitivity of the sensor with a cap piezoelectric element is up to C / Pa; as standard, such a sensor will have a random component and linearity error of not more than 0.1-0.2%.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU904893600A RU1795315C (en) | 1990-11-19 | 1990-11-19 | Variable-capacitance pressure transducer and method of manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU904893600A RU1795315C (en) | 1990-11-19 | 1990-11-19 | Variable-capacitance pressure transducer and method of manufacture |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU1795315C true RU1795315C (en) | 1993-02-15 |
Family
ID=21551579
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU904893600A RU1795315C (en) | 1990-11-19 | 1990-11-19 | Variable-capacitance pressure transducer and method of manufacture |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU1795315C (en) |
-
1990
- 1990-11-19 RU SU904893600A patent/RU1795315C/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Бауманн Э. Измерение сил электрическими методами. М.: 1978, с. 122, рис. 2.47. Патент Швейцарии № 536489. кл. G 01 L ,1973. (5) ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНА/Ш * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA1239806A (en) | Capacitive sensing cell made of brittle material | |
JP2898751B2 (en) | Transmitter that shares overpressure protection and expands measurement capability | |
KR100421304B1 (en) | Capacitive strain sensor and method for using the same | |
US4670733A (en) | Differential pressure transducer | |
US6973837B2 (en) | Temperature compensated strain sensing apparatus | |
US6295875B1 (en) | Process pressure measurement devices with improved error compensation | |
KR102076515B1 (en) | Method and Device for measuring a vacuum pressure using a measuring cell arrangement | |
US5134887A (en) | Pressure sensors | |
US3965746A (en) | Pressure transducer | |
CA2173786C (en) | Semiconductor differential pressure measuring device | |
JP2597042B2 (en) | Differential pressure measuring device | |
GB2038487A (en) | Force responsive transducer | |
US4695817A (en) | Environmentally protected pressure transducers employing two electrically interconnected transducer arrays | |
US10101230B2 (en) | Reduction of non-linearity errors in automotive pressure sensors | |
JPH0264430A (en) | Semiconductor pressure converter | |
US3739644A (en) | Linearization of differential pressure integral silicon transducer | |
US5034848A (en) | Low pressure sensor | |
RU1795315C (en) | Variable-capacitance pressure transducer and method of manufacture | |
Zhang et al. | A high-accuracy multi-element silicon barometric pressure sensor | |
JPS5856428B2 (en) | Pressure sensor using a crystal oscillator | |
JP2813721B2 (en) | Capacitive pressure sensor | |
RU2126533C1 (en) | Capacitive type pressure and differential pressure pickup | |
JP3080212B2 (en) | Semiconductor differential pressure measuring device | |
JPH08201202A (en) | Balanced-bridge adjusting circuit of strain guide converter | |
JP2002039888A (en) | Method of setting position of gage resistance of semiconductor pressure sensor |