RU2282837C2 - Piezoelectric resonance pressure measuring converter - Google Patents

Piezoelectric resonance pressure measuring converter Download PDF

Info

Publication number
RU2282837C2
RU2282837C2 RU2004132391/28A RU2004132391A RU2282837C2 RU 2282837 C2 RU2282837 C2 RU 2282837C2 RU 2004132391/28 A RU2004132391/28 A RU 2004132391/28A RU 2004132391 A RU2004132391 A RU 2004132391A RU 2282837 C2 RU2282837 C2 RU 2282837C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
rods
cavity
faces
glass
Prior art date
Application number
RU2004132391/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004132391A (en
Inventor
Валерий Николаевич Симонов (RU)
Валерий Николаевич Симонов
ков Владимир Борисович Пол (RU)
Владимир Борисович Поляков
ков Александр Владимирович Пол (RU)
Александр Владимирович Поляков
Original Assignee
Валерий Николаевич Симонов
Владимир Борисович Поляков
Александр Владимирович Поляков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Валерий Николаевич Симонов, Владимир Борисович Поляков, Александр Владимирович Поляков filed Critical Валерий Николаевич Симонов
Priority to RU2004132391/28A priority Critical patent/RU2282837C2/en
Publication of RU2004132391A publication Critical patent/RU2004132391A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2282837C2 publication Critical patent/RU2282837C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement engineering.
SUBSTANCE: measuring converter has case with working chamber, sensor placed in to chamber and pressure-seal feed-through. Sensor is made of several items tightly connected together; items are made of crystal quartz. Strain resistance piezoelectric resonator is placed into cavity of sensor; edges of piezoelectric resonator are tightly connected with walls of cavity. Sensor is formed of package of plates tightly connected along peripheral; part of big faces; cavity is formed by recesses in faces of plates to be connected. Piezoelectric resonator is formed by means of through holes in internal plate of package and it has shape of two similar rods which are parallel to each other and to faces to be connected. Ends of rods are connected by common peripheral part and they tightly connected with external plates of package. Length L of cavity is directed along axes of rods. Width A of cavity and width B of sensor are parallel to plane of faces to be connected and both widths are perpendicular to axes of rods. Height H of cavity is perpendicular to faces to be connected. The parameters meet the following relations: L≥2A,H≤A, 2H≤B-A. Adjacent external faces of package, parallel to axes of rods, make angles of 90° and more with each other. According to another version, surface of sensor has shape of cylinder partially; the cylinder has axis being parallel to axes of rods. Edges of internal plate do not go out of external surface of sensor. According to one more version, edges of plates can go out of external surface of sensor. Recesses and protrusions are formed onto surface of package to be connected. Recesses are filled with connecting matter, for example, with glue or glass. Protrusions of plates to be connected are disposed in opposition and they engage without having space. Converter is provided with glass with cap; glass is made of elastic material. Sensor is placed into glass to have space between surface of sensor and surface of glass. Moreover, glass is tightly put onto protrusion of pressure-seal feeds-through and it is introduced into chamber of sensor not to have space with walls of the chamber. Through holes are made in walls and/or bottom either/or cap of glass.
EFFECT: reduced cost; improved reliability.
8 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно пьезорезонансным измерительным преобразователям (датчикам) давления.The invention relates to the field of measuring equipment, namely, piezoresonant pressure transducers (sensors).

Известны пьезорезонансные измерительные преобразователи давления, содержащие корпус, рабочую камеру с пьезорезонансным чувствительным элементом - сенсором, электронную схему, гермоввод, соединяющий контакты сенсора с электронной схемой - автогенератором (Малов В.В. М.:Энергоатомиздат,1989 г.). Как правило, у высокоточных преобразователей сенсор целиком выполнен из кристаллического кварца и представляет собой герметичный манометрический блок с упругим элементом (мембраной или стенкой блока), к которой жестко присоединен тензочувствительный пьезорезонатор толщинно-сдвиговых или изгибных колебаний. Для того, чтобы рабочая среда, давление которой измеряется датчиком, не влияла (химически или механически) на манометрический блок, полость камеры заполняют нейтральной к материалу блока жидкостью (обычно кремнеорганической). При воздействии измеряемого давления на сенсор происходит деформация упругого элемента, что влечет за собой деформацию резонатора. Изменяется резонансная частота резонатора, соответственно изменяется частота периодических импульсов выходного сигнала автогенератора. Если рабочая среда нейтральна к материалу сенсора, то наличие промежуточного (разделительного) упругого элемента и кремнеорганической жидкости необязательно. В этом случае рабочая среда непосредственно контактирует с сенсором.Known are piezoresonance pressure transmitters containing a housing, a working chamber with a piezoresonance sensitive element - a sensor, an electronic circuit, a pressure seal connecting the sensor contacts to an electronic circuit - an oscillator (Malov V.V. M.: Energoatomizdat, 1989). As a rule, for high-precision transducers, the sensor is entirely made of crystalline quartz and is a sealed manometric block with an elastic element (membrane or block wall), to which a strain-sensitive piezoresonator of thickness-shear or bending vibrations is rigidly attached. In order for the working medium, the pressure of which is measured by the sensor, not to influence (chemically or mechanically) the gauge block, the chamber cavity is filled with a liquid neutral to the block material (usually organosilicon). Under the influence of the measured pressure on the sensor, the deformation of the elastic element occurs, which entails the deformation of the resonator. The resonant frequency of the resonator changes, respectively, the frequency of the periodic pulses of the output signal of the oscillator changes. If the working medium is neutral to the sensor material, then the presence of an intermediate (separation) elastic element and organosilicon liquid is optional. In this case, the working medium is in direct contact with the sensor.

Прототипом предлагаемого устройства является пьезорезонансный измерительный преобразователь давления, сенсор которого имеет форму цилиндра и полностью выполнен из пьезоэлектрического кристалла кварца (Benjaminson A., Hammond D.L., Piezoelectric transducer and method for mounting same. Pat USA 3617780, 1971). Тензочувствительный резонатор этого сенсора представляет собой линзообразную перегородку в цилиндре сенсора. В линзе посредством золотых тонкопленочных электродов возбуждаются толщинно-сдвиговые колебания на частоте 5 МГц по третьей гармонике. Роль упругого элемента выполняет цилиндрическая стенка сенсора. Сенсор помещен в цилиндрическую камеру и закреплен в ней специальными держателями, расположенными по оси цилиндра. Камера заполнена кремнеорганической жидкостью с малым коэффициентом объемного расширения. Для передачи давления внутрь камеры используются мембраны малой жесткости. Выполнение сенсора целиком из пьезокварца позволило авторам получить уникальные метрологические характеристики. Цилиндрическая поверхность сенсора упрощает технологию изготовления сопрягаемых с ним деталей преобразователя и уменьшает объем кремнеорганической жидкости, что снижает температурную погрешность преобразователя.The prototype of the proposed device is a piezoresonant pressure transducer, the sensor of which is in the form of a cylinder and is completely made of a piezoelectric quartz crystal (Benjaminson A., Hammond D.L., Piezoelectric transducer and method for mounting same. Pat USA 3617780, 1971). The strain-sensitive resonator of this sensor is a lenticular septum in the sensor cylinder. Thick-shear oscillations at a frequency of 5 MHz at the third harmonic are excited in the lens by means of gold thin-film electrodes. The role of the elastic element is performed by the cylindrical wall of the sensor. The sensor is placed in a cylindrical chamber and secured in it by special holders located along the axis of the cylinder. The chamber is filled with an organosilicon liquid with a low coefficient of volume expansion. To transmit pressure inside the chamber, low-rigidity membranes are used. The implementation of the sensor entirely from piezoelectric quartz allowed the authors to obtain unique metrological characteristics. The cylindrical surface of the sensor simplifies the manufacturing technology of the converter parts mating with it and reduces the volume of organosilicon liquid, which reduces the temperature error of the converter.

Однако прототип имеет ряд существенных недостатков. Сенсор в виде монолитного цилиндра с перегородкой в центре, выполненный из пьезоэлектрического кристалла, чрезвычайно сложен и трудоемок в изготовлении, а как следствие дорог. Его размеры и масса довольно велики. Крепление такого массивного сенсора в двух точках на оси, с одной стороны, недостаточно надежно, с другой - приводит к тому, что сенсор от воздействия даже незначительных ударов и вибраций «ощущает деформации корпуса» и изменяет показания. Это снижает надежность преобразователя.However, the prototype has a number of significant disadvantages. The sensor in the form of a monolithic cylinder with a partition in the center, made of a piezoelectric crystal, is extremely complex and laborious to manufacture, and as a result expensive. Its size and weight are quite large. Mounting such a massive sensor at two points on the axis, on the one hand, is not reliable enough, and on the other, it leads to the fact that the sensor from the influence of even minor shocks and vibrations “senses the deformation of the body” and changes the readings. This reduces the reliability of the converter.

Задачей данного изобретения является снижение себестоимости пьезорезонансного измерительного преобразователя давления и повышение его надежности.The objective of the invention is to reduce the cost of a piezoresonant pressure transmitter and increase its reliability.

Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

В пьезорезонансном измерительном преобразователе давления, содержащем корпус с рабочей камерой, помещенный в камеру сенсор и гермоввод, причем сенсор состоит из нескольких жестко соединенных друг с другом деталей, выполненных из кристаллического кварца, а в полости сенсора сформирован тензочувствительный пьезорезонатор, края которого жестко соединены со стенками полости, детали сенсора имеют форму пластин и соединены по периферийным областям больших граней в пакет, полость образована углублениями в соединяемых гранях пластин, стенки полости образованы соединенными периферийными областями граней пластин, тензочувствительный пьезорезонатор изгибных колебаний сформирован во внутренней пластине пакета посредством сквозных отверстий в пластине и состоит из двух одинаковых и параллельных друг другу стержней, параллельных друг другу и соединяемым граням, причем концы стержней объединены общей периферией и жестко соединены с внешними пластинами пакета.In a piezoresonant pressure measuring transducer containing a housing with a working chamber, a sensor and a pressure seal are placed in the chamber, the sensor consisting of several parts rigidly connected to each other made of crystalline quartz, and a strain-sensitive piezoresonator is formed in the sensor cavity, the edges of which are rigidly connected to the walls cavities, sensor parts have the form of plates and are connected along the peripheral regions of large faces into a package, the cavity is formed by recesses in the connected faces of the plates, walls the cavities are formed by connected peripheral regions of the faces of the plates, a strain-sensitive piezoresonator of bending vibrations is formed in the inner plate of the package by means of through holes in the plate and consists of two identical and parallel to each other rods parallel to each other and connected faces, the ends of the rods being joined by a common periphery and rigidly connected to external plates of the package.

Длина L полости направлена вдоль осей стержней, ширина полости А и ширина сенсора В параллельны плоскости соединяемых граней и перпендикулярны осям стержней, высота полости Н перпендикулярна соединяемым граням, причем между этими параметрами соблюдаются следующие соотношения: L≥2А, Н≤А, 2Н≤В-А.The length L of the cavity is directed along the axes of the rods, the width of the cavity A and the width of the sensor B are parallel to the plane of the connected faces and perpendicular to the axes of the rods, the height of the cavity H is perpendicular to the connected faces, and the following relationships are observed between these parameters: L≥2A, H≤A, 2H≤V -BUT.

Соседние внешние грани пакета, параллельные осям стержней, составляют друг с другом углы 90° или более. В варианте исполнения поверхности сенсора придана (по крайней мере, частично) форма цилиндра с осью, параллельной осям стержней.The adjacent outer faces of the stack parallel to the axes of the rods are angles of 90 ° or more with each other. In an embodiment, the sensor surface is given (at least partially) a cylinder shape with an axis parallel to the axes of the rods.

В одном варианте исполнения края внутренней пластины не выходят на внешнюю поверхность сенсора. В другом варианте исполнения края внутренней пластины выходят на внешнюю поверхность сенсора.In one embodiment, the edges of the inner plate do not extend onto the outer surface of the sensor. In another embodiment, the edges of the inner plate extend onto the outer surface of the sensor.

На соединяемых поверхностях пластин пакета образованы углубления и выступы, углубления заполнены соединяющим материалом, например клеем или стеклом, а выступы соединяемых пластин расположены друг против друга и входят в соприкосновение.Recesses and protrusions are formed on the joined surfaces of the package plates, the recesses are filled with a connecting material, such as glue or glass, and the protrusions of the connected plates are opposed to each other and come into contact.

Преобразователь снабжен выполненным из упругого материала стаканом с крышкой, гермоввод имеет выступ, входящий в рабочую камеру, сенсор помещен в стакан с зазором между поверхностью сенсора и поверхностью стакана. Причем стакан плотно посажен на выступ гермоввода и без зазора с ее стенками введен в рабочую камеру, а в стенках, и/или дне, и/или крышке стакана выполнены сквозные отверстия.The converter is equipped with a glass with a cover made of elastic material, the pressure seal has a protrusion that enters the working chamber, the sensor is placed in the glass with a gap between the surface of the sensor and the surface of the glass. Moreover, the glass is tightly seated on the ledge of the pressure seal and without a gap with its walls is inserted into the working chamber, and through holes are made in the walls, and / or the bottom, and / or the glass cover.

Изобретение иллюстрируется чертежами Фиг.1 - 5. На Фиг.1 изображен вариант исполнения сенсора с плоскими внешними гранями и не выходящей на его внешнюю поверхность внутренней пластиной. На Фиг.2 изображен вариант исполнения сенсора с частично цилиндрическими внешними гранями и выходящей на его внешнюю поверхность внутренней пластиной. На Фиг.3 изображен внешний вид внутренней пластины с тензочувствительным пьезорезонатором. На Фиг.4 изображен узел «сенсор - стакан». На Фиг.5 изображен измерительный преобразователь давления.The invention is illustrated in the drawings of Figures 1 to 5. Figure 1 shows an embodiment of a sensor with flat external faces and an internal plate not extending onto its external surface. Figure 2 shows an embodiment of a sensor with partially cylindrical outer faces and an inner plate facing its outer surface. Figure 3 shows the appearance of the inner plate with a strain-sensitive piezoresonator. Figure 4 shows the node "sensor - glass". Figure 5 shows a pressure transducer.

На чертежах используются следующие обозначения: 1 - сенсор, 2 - внешние пластины сенсора, 3 - внутренняя пластина сенсора, 4 - внешние грани сенсора, 5 - сквозные отверстия, 6 - стержни, тензочувствительный пьезорезонатор, 7 - электроды, 8 - контактные площадки, 9 - скосы, 10 - полость сенсора, 11 - периферийные области внутренней пластины, 12 - стакан, 13 - зазор, 14 - рабочая камера, 15 - кремнеорганическая жидкость, 16 - отверстия в стенках стакана, 17 - корпус преобразователя, 18 - внешняя среда, 19 - упругий элемент, мембрана, 20 - гермоввод, 21 - выступ, 22 - конус, 23 - цилиндр, 24 - гайка, 25 - выводы, 26 - электронная схема, 27 - выводы питания электронной схемы, 28 - вывод выходного сигнала, 29 - входное отверстие в преобразователь, 30 - крышка стакана, 31 - соединительный материал, например клей или легкоплавкое стекло, 32 - углубления, 33 - выступы на поверхностях внешних пластин пакета, 34 - ось симметрии тензочувствительного пьезорезонатора, ось чувствительности, А - ширина полости, В - ширина сенсора, Н - высота полости, L - длина полости, Р - измеряемое давление, F - выходной сигнал, частота.The following notation is used in the drawings: 1 - sensor, 2 - external sensor plates, 3 - internal sensor plate, 4 - external edges of the sensor, 5 - through holes, 6 - rods, strain-sensitive piezoresonator, 7 - electrodes, 8 - contact pads, 9 - bevels, 10 - sensor cavity, 11 - peripheral areas of the inner plate, 12 - glass, 13 - gap, 14 - working chamber, 15 - organosilicon liquid, 16 - holes in the walls of the glass, 17 - transducer case, 18 - external environment, 19 - an elastic element, a membrane, 20 - a pressure seal, 21 - a ledge, 22 - a cone, 23 - a cylinder 24 - nut, 25 - conclusions, 26 - electronic circuit, 27 - power supply terminals of the electronic circuit, 28 - output signal output, 29 - inlet to the converter, 30 - cup lid, 31 - connecting material, such as glue or low-melting glass, 32 - recesses, 33 - protrusions on the surfaces of the outer plates of the bag, 34 - axis of symmetry of the strain-sensitive piezoresonator, axis of sensitivity, A - cavity width, B - sensor width, H - cavity height, L - cavity length, P - measured pressure, F - output signal, frequency.

Преобразователь устроен следующим образом. Сенсор 1 собран в виде пакета пластин: внешних 2 и внутренней 3 (Фиг.1 и 2). Внешние грани 4 сенсора 1 имеют плоскую (Фиг.1) или плоскоцилиндрическую поверхность (Фиг.2). Во внутренней пластине 3 посредством сквозных отверстий 5 выполнен тензочувствительный пьезорезонатор, состоящий из двух стержней 6, проходящих от одного периферийного края 11 пластины 3 до другого (Фиг.3). Длина стержней на порядок и более превышает их ширину и толщину. Причем стержни одинаковы и параллельны друг другу. Они симметричны относительно оси симметрии 34 тензочувствительного пьезорезонатора. В стержнях 6 посредством тонкопленочных электродов 7 возбуждаются противофазные изгибные колебания. Противофазность колебаний и одинаковость стержней - компенсирует изгибные моменты реакции в концах стержней, объединенных общей периферией пластины 3, и позволяет получить высокую добротность (а, следовательно, стабильность) колебаний пьезорезонатора. Электроды 7 выводятся из полости сенсора 1 на контактные площадки 8, выполненные на концах сенсора 1 посредством скосов 9 в пластинах 2. В пластинах 2 имеются углубления 10, образующие внутреннюю полость сенсора 1 и позволяющие беспрепятственно колебаться ветвям сдвоенного камертона 6. Внутренняя пластина 3 крепится к внешним пластинам по периферии 11 посредством соединительного материала 31, например, клея или припоя, или стеклоцемента, или другого материала. Формирование стержней 6 посредством профилированных отверстий 5 может быть осуществлено, например, сквозной прошивкой пластины 3 ультразвуком или сквозным химическим протравливанием. В первом случае геометрическая форма сдвоенного камертона задается профилем инструмента ультразвукового станка (поэтому отверстие профилированное), а во втором случае - профилем защитной маски и фотошаблона. Остальные поверхности тензочувствительного пьезорезонатора образованы большими гранями пластины 3.The converter is arranged as follows. The sensor 1 is assembled in the form of a package of plates: external 2 and internal 3 (Figs. 1 and 2). The outer edges 4 of the sensor 1 have a flat (Figure 1) or plane-cylindrical surface (Figure 2). In the inner plate 3, through the through holes 5, a strain-sensitive piezoresonator is made, consisting of two rods 6 extending from one peripheral edge 11 of the plate 3 to the other (FIG. 3). The length of the rods is an order of magnitude or more greater than their width and thickness. Moreover, the rods are the same and parallel to each other. They are symmetric about the axis of symmetry 34 of the strain-sensitive piezoresonator. In the rods 6 by means of thin-film electrodes 7, antiphase bending vibrations are excited. The out-of-phase oscillations and the uniformity of the rods - compensates for the bending moments of the reaction at the ends of the rods, united by the common periphery of the plate 3, and allows to obtain a high quality factor (and, therefore, stability) of the oscillations of the piezoresonator. The electrodes 7 are removed from the cavity of the sensor 1 to the contact pads 8, made at the ends of the sensor 1 by means of bevels 9 in the plates 2. In the plates 2 there are recesses 10 forming the internal cavity of the sensor 1 and allowing the branches of the double tuning fork 6 to oscillate freely. The inner plate 3 is attached to external plates along the periphery 11 by means of a connecting material 31, for example, glue or solder, or glass cement, or other material. The formation of the rods 6 by means of profiled holes 5 can be carried out, for example, by piercing the plate 3 with ultrasound or through chemical etching. In the first case, the geometrical shape of the double tuning fork is determined by the profile of the ultrasonic machine tool (therefore, the hole is profiled), and in the second case, by the profile of the protective mask and photomask. The remaining surfaces of the strain-sensitive piezoresonator are formed by the large faces of the plate 3.

Длина L полости 10 направлена вдоль оси стержней (или оси 34), ширина А полости 10 и ширина В сенсора 1 параллельны плоскости соединяемых граней пластин 2 и 3 и перпендикулярны осям стержней, высота полости Н перпендикулярна соединяемым граням, причем между этими параметрами соблюдаются следующие соотношения: L≥2А, Н≤А, 2Н≤В-А. Это обеспечивает минимальное присутствие сдвиговых напряжений в пластинах и соединительных швах сенсора, т.е. необходимую прочность сенсора в широком диапазоне рабочих давлений за счет нагружения преимущественным сжатием, как вдоль оси чувствительности сенсора 1 (оси 34), так и вдоль остальных осей. Известно, что предел прочности кристаллов на сжатие во много раз выше, чем предел прочности на растяжение. Таким образом, за счет заявляемого соотношения размеров сенсора 1 обеспечивается большой динамический диапазон его работы, что позволяет увеличить полезное изменение частоты тензочувствительного пьезорезонатора и соответственно относительно снизить погрешности, вызванные такими факторами, как температура, старение и др.The length L of the cavity 10 is directed along the axis of the rods (or axis 34), the width A of the cavity 10 and the width B of the sensor 1 are parallel to the planes of the connected faces of the plates 2 and 3 and are perpendicular to the axes of the rods, the height of the cavity H is perpendicular to the connected faces, and the following relations are observed between these parameters : L≥2A, H≤A, 2H≤B-A. This ensures a minimal presence of shear stresses in the plates and connecting seams of the sensor, i.e. the required sensor strength in a wide range of operating pressures due to preferential compression loading, both along the sensitivity axis of sensor 1 (axis 34), and along other axes. It is known that the tensile strength of crystals in compression is many times higher than the tensile strength. Thus, due to the claimed aspect ratio of the sensor 1, a large dynamic range of its operation is ensured, which allows us to increase the useful change in the frequency of the strain-sensitive piezoresonator and, accordingly, relatively reduce the errors caused by factors such as temperature, aging, etc.

Соседние внешние грани 4 сенсора, если они плоские, как в варианте Фиг.1, составляют друг с другом угол около 120°. В случае сенсора, изображенного на Фиг.2, этот угол еще больше и даже равен 180° в тех местах, где поверхность сенсора цилиндрическая. Такая геометрическая форма сенсора обеспечивает минимальный объем кремнеорганической жидкости внутри преобразователя.The adjacent outer edges 4 of the sensor, if they are flat, as in the embodiment of FIG. 1, make an angle of about 120 ° with each other. In the case of the sensor shown in FIG. 2, this angle is even larger and even equal to 180 ° in those places where the surface of the sensor is cylindrical. This geometric shape of the sensor provides a minimum volume of organosilicon liquid inside the transducer.

В варианте, изображенном на Фиг.1, пластина 3 не выходит на внешнюю поверхность сенсора и целиком находится в полости сенсора 1, что уменьшает ее габариты, позволяет использовать групповую технологию (изготовление в одной пластине несколько однотипных деталей, например, химическим травлением) и снижает себестоимость наиболее трудоемкой пластины сенсора. В варианте, изображенном на Фиг.2, пластина 3 выходит на внешнюю поверхность сенсора 1, что позволяет нагружать пьезорезонатор 6 давлением Р непосредственно, а не через внешние пластины 2 и соединительный материал 31. Это повышает точность преобразователя и надежность его показаний. Эта же задача решается путем выполнения на соединяемых поверхностях пластин пакета углублений 32 и выступов 33, как показано на виде I Фиг.2. При сборке сенсора углубления 32 заполняются соединяющим материалом 31, например клеем или стеклом, а выступы 33 соединяемых пластин располагаются друг против друга и путем сжатия пластин 2 и 3 вводятся в соприкосновение без зазора. В результате при воздействии измеряемого давления Р соединительный материал 31 в деформации стенок сенсора не участвует, что обеспечивает высокие метрологические характеристики сенсора и преобразователя. Соединительный материал 31 в этом случае выполняет только роль герметизатора полости сенсора.In the embodiment shown in FIG. 1, the plate 3 does not extend onto the outer surface of the sensor and is entirely located in the cavity of the sensor 1, which reduces its dimensions, allows the use of group technology (production of several parts of the same type in one plate, for example, by chemical etching) and reduces the cost of the most labor-intensive sensor plate. In the embodiment shown in FIG. 2, the plate 3 extends onto the outer surface of the sensor 1, which allows the piezoelectric resonator 6 to be loaded with pressure P directly, and not through the outer plates 2 and connecting material 31. This increases the accuracy of the transducer and the reliability of its readings. The same problem is solved by performing on the connected surfaces of the plates of the package of recesses 32 and protrusions 33, as shown in view I of FIG. 2. When assembling the sensor, the recesses 32 are filled with the connecting material 31, for example, with glue or glass, and the protrusions 33 of the connected plates are opposed to each other and are brought into contact without a gap by compression of the plates 2 and 3. As a result, when the measured pressure P is applied, the connecting material 31 is not involved in the deformation of the sensor walls, which ensures high metrological characteristics of the sensor and the transducer. The connecting material 31 in this case performs only the role of a sealant of the sensor cavity.

Описанная конструкция сенсора 1 и тензочувствительного пьезорезонатора 6 более проста в изготовлении, чем прототип, поскольку состоит из простых по геометрической форме деталей. Это позволяет использовать групповые методы технологии их изготовления: резки, шлифовки, химического травления. Сборка такого сенсора тоже относительно несложна. Формирование одинаковых стержней 6, колеблющихся в противофазе, реализует высокодобротный резонатор изгибных колебаний с большой (до 10%) рабочей перестройкой частоты, что позволяет получить требуемую высокую точность измерительного преобразователя. Таким образом, ряд одних заявляемых признаков позволяет получить работоспособность сенсора, а ряд других - получить такие же высокие метрологические характеристики, как у прототипа, без существенного усложнения конструкции сенсора.The described design of the sensor 1 and the strain-sensitive piezoresonator 6 is simpler to manufacture than the prototype, since it consists of simple geometric parts. This allows you to use group methods of technology for their manufacture: cutting, grinding, chemical etching. The assembly of such a sensor is also relatively simple. The formation of identical rods 6, oscillating in antiphase, implements a high-Q resonator of bending vibrations with a large (up to 10%) working frequency tuning, which allows to obtain the required high accuracy of the measuring transducer. Thus, a number of some of the claimed features allows you to get the health of the sensor, and a number of others to get the same high metrological characteristics as the prototype, without significantly complicating the design of the sensor.

Преобразователь снабжен стаканом 12, выполненным из упругого материала (Фиг.4). Стакан имеет крышку 30. Сенсор 1 помещен в стакан 12 с зазором 13 между боковыми стенками стакана, дном и крышкой. Материал стакана должен быть упругим для того, чтобы не возникал гистерезис рабочей характеристики преобразователя, вызванный необратимым изменением объема стакана при обжатии его измеряемым давлением. Зазор 13 необходим для того, чтобы термодеформация стакана 12 не передавалась на сенсор 1 и не приводила к погрешностям в показаниях преобразователя. Величина зазора должна быть минимальна, но не меньше величины термодеформаций сенсора 1.The Converter is equipped with a glass 12 made of an elastic material (Figure 4). The glass has a lid 30. The sensor 1 is placed in the glass 12 with a gap 13 between the side walls of the glass, the bottom and the lid. The glass material must be elastic so that there is no hysteresis in the operating characteristic of the transducer caused by an irreversible change in the volume of the glass during compression by measured pressure. The gap 13 is necessary so that the thermal deformation of the glass 12 is not transmitted to the sensor 1 and does not lead to errors in the readings of the transducer. The size of the gap should be minimal, but not less than the value of thermal deformation of the sensor 1.

Стакан 12 плотно без зазора помещен в рабочую камеру 14 преобразователя (Фиг.5). Для того чтобы измеряемое давление Р без помех поступало на сенсор 1, рабочая камера 14 заполнена кремнеорганической жидкостью 15, а в стенках и/или дне стакана 12 выполнены сквозные отверстия 16. Рабочая камера 14 выполнена в корпусе 17 преобразователя. Она отделена от внешней среды 18 посредством упругого элемента - мембраны 19. В качестве упругого элемента может быть использован сильфон.The glass 12 is tightly without a gap placed in the working chamber 14 of the Converter (Figure 5). In order for the measured pressure P to flow without interference to the sensor 1, the working chamber 14 is filled with organosilicon liquid 15, and through holes 16 are made in the walls and / or bottom of the glass 12. The working chamber 14 is made in the transducer housing 17. It is separated from the external environment 18 by means of an elastic element — a membrane 19. A bellows can be used as an elastic element.

Если рабочая среда является непроводящей и неагрессивной по отношению к материалам сенсора, то присутствие мембраны в конструкции не является обязательным. В этом случае давление рабочей среды передается на сенсор непосредственно, а не через мембрану и кремнеорганическую жидкость.If the working medium is non-conductive and non-aggressive with respect to the sensor materials, the presence of a membrane in the structure is not necessary. In this case, the pressure of the working medium is transmitted directly to the sensor, and not through the membrane and organosilicon liquid.

Со стороны внутренней полости преобразователя рабочая камера 14 загерметизирована посредством гермоввода 20, который имеет выступ 21, входящий вовнутрь рабочей камеры 14. На выступ 21 плотно надет стакан 12 с сенсором 1. Герметизация рабочей камеры 14 осуществляется по поверхностям гермоввода (конус 22) и корпуса (цилиндр 23) посредством поджатая гермоввода 20 гайкой 24. Предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять сборку узла «стакан - сенсор» отдельно, а после сборки этого узла вводить его в рабочую камеру преобразователя при герметизации гермовводом 20. Это повышает качество сборки, исключая возможные перекосы и заклинивания сенсора 1 в рабочей камере, помогает уменьшить объем рабочей камеры 14 и соответственно кремнеорганической жидкости 15, заполняющей камеру.From the side of the internal cavity of the converter, the working chamber 14 is sealed by means of a hermetic inlet 20, which has a protrusion 21 that extends inside the working chamber 14. A cup 12 with a sensor 1 is tightly put on the protrusion 21. The working chamber 14 is sealed on the surfaces of the hermetic inlet (cone 22) and the housing ( cylinder 23) by means of a tightened pressure gland 20 with a nut 24. The proposed technical solution allows the assembly of the glass-sensor assembly separately, and after assembly of this assembly, enter it into the working chamber of the converter during sealing pressurized 20. This improves the quality of assembly, eliminating possible distortions and jamming of the sensor 1 in the working chamber, helps to reduce the volume of the working chamber 14 and, accordingly, the organosilicon liquid 15 filling the chamber.

Электрические выводы 25 соединяют сенсор 1 с электронной схемой 26, которая питается через выводы 27. Выходной сигнал F снимается с вывода 28. Входное давление Р поступает через отверстие 29.Electrical leads 25 connect the sensor 1 to an electronic circuit 26, which is fed through the terminals 27. The output signal F is removed from the terminal 28. The input pressure P enters through the hole 29.

Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое давление Р через отверстие 29 поступает на мембрану 19. Посредством жидкости 15 через отверстия 16 в стенках стакана 12 это давление от мембраны передается на сенсор и воздействует на него, как показано на Фиг.2. Векторы усилий, вызванных давлением, в перпендикулярных оси 34 направлениях не вызывают деформации тензочувствительного пьезорезонатора, благодаря соотношениям геометрических размеров, указанным выше. На пьезорезонатор воздействует только та компонента давления, вектор которой параллелен оси 34. Под воздействием этого давления пьезорезонатор деформируется, а частота его изменяется. Электронная схема 26 формирует периодический электрический сигнал, частота F которого отслеживает частоту пьезорезонатора 6.The converter operates as follows. The measured pressure P through the hole 29 enters the membrane 19. Through the liquid 15 through the holes 16 in the walls of the glass 12, this pressure is transmitted from the membrane to the sensor and acts on it, as shown in FIG. 2. The pressure force vectors in the directions perpendicular to the axis 34 do not cause strain-sensitive piezoresonator, due to the geometric dimensions indicated above. Only the pressure component whose vector is parallel to the axis 34 acts on the piezoresonator. Under the influence of this pressure, the piezoresonator is deformed, and its frequency changes. The electronic circuit 26 generates a periodic electrical signal, the frequency F of which monitors the frequency of the piezoresonator 6.

Предлагаемый преобразователь на порядок дешевле преобразователя-прототипа, практически не уступая ему в точности. Он надежен в условиях вибраций и ударов и удобен в работе.The proposed converter is much cheaper than the prototype converter, practically not inferior to it in accuracy. It is reliable in conditions of vibration and shock and is convenient to use.

Claims (8)

1. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления, содержащий корпус с рабочей камерой, помещенный в рабочую камеру сенсор и гермоввод, причем сенсор состоит из нескольких жестко соединенных друг с другом деталей, выполненных из кристаллического кварца, а в полости сенсора сформирован тензочувствительный пьезорезонатор с тонкопленочными электродами, края которого жестко соединены со стенками полости, отличающийся тем, что детали сенсора имеют форму пластин и жестко соединены по периферийным областям больших граней в пакет, полость образована углублениями в соединяемых гранях пластин, тензочувствительный пьезорезонатор изгибных колебаний сформирован во внутренней пластине пакета посредством сквозных отверстий в ней и состоит из двух одинаковых стержней, параллельных друг другу и соединяемым граням, причем концы стержней объединены общей периферией и жестко соединены с внешними пластинами пакета.1. A piezoresonance pressure transducer comprising a housing with a working chamber, a sensor and a pressure seal inserted into the working chamber, the sensor consisting of several parts rigidly connected to each other made of crystalline quartz, and a strain-sensitive piezoresonator with thin-film electrodes is formed in the sensor cavity, the edges which is rigidly connected to the walls of the cavity, characterized in that the sensor parts are in the form of plates and rigidly connected to the peripheral regions of large faces in a package, The cavity is formed by recesses in the joined faces of the plates, the strain-sensitive piezoresonator of bending vibrations is formed in the inner plate of the package by means of through holes in it and consists of two identical rods parallel to each other and connected faces, the ends of the rods being joined by common periphery and rigidly connected to the outer plates of the package. 2. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что длина L полости направлена вдоль осей стержней, ширина полости А и ширина сенсора В параллельны плоскости соединяемых граней и перпендикулярны осям стержней, высота полости H перпендикулярна соединяемым граням, причем между этими параметрами соблюдаются соотношения L≥2A, H≤A, 2Н≤В-А.2. The piezoresonant pressure transducer according to claim 1, characterized in that the cavity length L is directed along the axis of the rods, the width of the cavity A and the width of the sensor B are parallel to the planes of the connected faces and perpendicular to the axes of the rods, the cavity height H is perpendicular to the connected faces, between these parameters the ratios L≥2A, H≤A, 2H≤B-A are observed. 3. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что соседние внешние грани пакета, параллельные осям стержней, составляют друг с другом углы 90° или более.3. The piezoresonant pressure transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the adjacent outer faces of the stack parallel to the axes of the rods make angles of 90 ° or more with each other. 4. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что внешней поверхности сенсора придана, по крайней мере, частично форма цилиндра с осью, параллельной осям стержней.4. The piezoresonant pressure transmitter according to claim 1 or 2, characterized in that the outer surface of the sensor is given at least partially the shape of a cylinder with an axis parallel to the axes of the rods. 5. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что края внутренней пластины не выходят на внешнюю поверхность сенсора.5. The piezoresonant pressure transmitter according to claim 1 or 2, characterized in that the edges of the inner plate do not extend onto the outer surface of the sensor. 6. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что края внутренней пластины выходят на внешнюю поверхность сенсора.6. The piezoresonant pressure transmitter according to claim 1 or 2, characterized in that the edges of the inner plate extend onto the outer surface of the sensor. 7. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что на соединяемых гранях пластин пакета образованы углубления и выступы, углубления заполнены соединяющим материалом, например клеем или стеклом, а выступы соединяемых пластин расположены друг против друга и входят в соприкосновение.7. The piezoresonant pressure transducer according to claim 1 or 2, characterized in that recesses and protrusions are formed on the joined faces of the package plates, the recesses are filled with connecting material, such as glue or glass, and the protrusions of the connected plates are opposed and come into contact. 8. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что преобразователь снабжен выполненным из упругого материала стаканом с крышкой, гермоввод имеет выступ, входящий в рабочую камеру, сенсор помещен в стакан с зазором между поверхностью сенсора и поверхностью стакана, причем стакан плотно посажен на выступ гермоввода и без зазора с ее стенками введен в рабочую камеру, а в стенках, и/или дне, и/или крышке стакана выполнены сквозные отверстия.8. The piezoresonant pressure transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the transducer is equipped with a canister made of elastic material with a lid, a pressure seal has a protrusion that enters the working chamber, the sensor is placed in the canister with a gap between the surface of the sensor and the surface of the can, the glass is tightly seated on the ledge of the pressure seal and without a gap with its walls is inserted into the working chamber, and through holes are made in the walls, and / or the bottom, and / or the glass cover.
RU2004132391/28A 2004-11-10 2004-11-10 Piezoelectric resonance pressure measuring converter RU2282837C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004132391/28A RU2282837C2 (en) 2004-11-10 2004-11-10 Piezoelectric resonance pressure measuring converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004132391/28A RU2282837C2 (en) 2004-11-10 2004-11-10 Piezoelectric resonance pressure measuring converter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004132391A RU2004132391A (en) 2006-04-20
RU2282837C2 true RU2282837C2 (en) 2006-08-27

Family

ID=36607653

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004132391/28A RU2282837C2 (en) 2004-11-10 2004-11-10 Piezoelectric resonance pressure measuring converter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2282837C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487329C2 (en) * 2007-10-31 2013-07-10 Кг Трансмиттер Компонентс Гмбх Metering pressure converter, method to monitor condition of metering pressure converter and pressure sensor
RU2523091C2 (en) * 2012-08-23 2014-07-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Piezoelectric pressure transducer
RU2623182C1 (en) * 2016-05-17 2017-06-22 Общество с ограниченной ответственностью "Специальное конструкторское техническое бюро электроники, приборостроения и автоматизации", ООО "СКТБ ЭлПА" Piezoresonance sensitive element of absolute pressure
RU172102U1 (en) * 2017-02-17 2017-06-28 Общество с ограниченной ответственностью НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА "ТОРИ" ACOUSTIC TRANSMITTER

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487329C2 (en) * 2007-10-31 2013-07-10 Кг Трансмиттер Компонентс Гмбх Metering pressure converter, method to monitor condition of metering pressure converter and pressure sensor
RU2523091C2 (en) * 2012-08-23 2014-07-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Piezoelectric pressure transducer
RU2623182C1 (en) * 2016-05-17 2017-06-22 Общество с ограниченной ответственностью "Специальное конструкторское техническое бюро электроники, приборостроения и автоматизации", ООО "СКТБ ЭлПА" Piezoresonance sensitive element of absolute pressure
RU172102U1 (en) * 2017-02-17 2017-06-28 Общество с ограниченной ответственностью НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА "ТОРИ" ACOUSTIC TRANSMITTER

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004132391A (en) 2006-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8297124B2 (en) Pressure sensor
KR101196090B1 (en) Diaphram for pressure sensor and pressure sensor
CN101545815B (en) Pressure sensor and method for manufacturing the same
US3561832A (en) Quartz resonator pressure transducer
US8015881B2 (en) Pressure sensor
JP4756394B2 (en) pressure sensor
JPH041862B2 (en)
JP5375624B2 (en) Acceleration sensor and acceleration detection device
WO2007035004A1 (en) Tuning bi-fork piezoelectric oscillation element and pressure sensor
US20120096945A1 (en) Pressure sensor
JP5712666B2 (en) Force detector
JP2011221007A (en) Pressure detector
US8850896B2 (en) Physical quantity detector
EP0777116B1 (en) Pressure sensor with rectangular layers and transverse transducer
RU2282837C2 (en) Piezoelectric resonance pressure measuring converter
JP2010243276A (en) Relative pressure sensor, relative pressure measuring device, and relative pressure measuring method
JP5712674B2 (en) Force detector housing case, force measuring device
JP2011169671A (en) Inertia sensor and inertia sensor device
JPS5856428B2 (en) Pressure sensor using a crystal oscillator
RU2623182C1 (en) Piezoresonance sensitive element of absolute pressure
JP2014126423A (en) Pressure sensor and vacuum apparatus
WO2020228738A1 (en) Pressure-sensitive element, preparation method for pressure-sensitive element, and pressure sensor
JP2011149708A (en) Force detection unit and force detector
JP2013156197A (en) Pressure sensor, pressure gauge, and electronic apparatus
SU1345076A1 (en) Pressure transducer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20111111

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20140210