RU2623182C1 - Пьезорезонансный чувствительный элемент абсолютного давления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к пьезорезонансным чувствительным элементам (ПЧЭ) для частотных датчиков абсолютного давления, и в частности для кварцевых датчиков, имеющих малый поперечный размер корпуса и способных работать при высокой температуре до 200°C и высоком давлении до 150 МПа. ПЧЭ давления содержит тензопередающий корпус с длиной, превышающей максимальный размер его поперечного сечения, и герметичную газозаполненную или вакуумированную полость, в которой к ее поверхности узловыми точками жестко закреплен тензочувствительный пьезорезонатор (ТП) с тонкопленочными электродами, соединенными с металлизированными контактными площадками, расположенными на внешней поверхности корпуса в пределах проекции его поперечного сечения, причем корпус ПЧЭ с полостью и ТП сформирован в виде пакета из двух или более кварцекристаллических, жестко соединенных по периферии больших граней, а герметичная полость образована углублениями в центральной части соединяемых больших граней двух внешних пластин, а при формировании пакета с 3-й внутренней пластиной, также сквозными отверстиями в центре ее больших граней, равных соединяемым граням внешних пластин, и своей длиной также сориентирована по длине пакета. Причем одна из внешних пластин пакета выполнена длиннее остальных пластин и выступающей по длине за их пределы с одной или в варианте с обеих сторон не менее чем на четверть ширины пакета, а контактные площадки выполнены на выступающих частях этой пластины. В вариантах исполнения заявляемого устройства, наряду с основным эффектом увеличения термомеханической развязки достигаются дополнительные результаты: снижение трудоемкости за счет применения групповой технологии МЭМС, возможность создания высокоточных датчиков давления, работающих при температуре выше 200°C за счет использования монокристаллов Лангатата или Лангасита и т.д. Технический результат - повышение кратковременной и долговременной стабильности, с возможностью сохранения малых поперечных размеров корпуса, датчиков давления, в которых будет установлен предлагаемый ПЧЭ. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к пьезорезонансным чувствительным элементам (ПЧЭ) для частотных датчиков абсолютного давления.

Известны ПЧЭ для высокоточных преобразователей давления, выполненные на основе кварцевого тензочувствительного пьезорезонатора (ТП) изгибных или толщиносдвиговых колебаний, жестко присоединенного узловыми точками к тензопередающему корпусу, выполненному из пьезокварца той же кристаллографической ориентации [1].

ТП изгибных колебаний выполнен в виде сдвоенных камертонов, общие ветви которых могут совершать противофазные резонансные колебания на низких частотах от 2 до 150 кГц. Поэтому разнесенные основания, являясь узловыми точками, не участвуют в резонансных колебаниях и могут быть точками приложения растягивающей или сжимающей силы. Соответственно резонансная частота будет расти или уменьшаться.

Высокочастотный кварцевый ТП, выполненный в виде полоска, может совершать резонансные толщиносдвиговые колебания частотой 3-20 МГц, локализуемые в его центральной части. Торцы полоска, так же как у сдвоенного камертона, могут быть точками приложения измеряемой силы или перемещения.

Известно условное деление ПЧЭ давления на мембранные и объемного сжатия [2]. Мембранный ПЧЭ имеет форму коробки, выполненной из монокристаллического кварца, содержит две крышки, соединенные друг с другом через кольцевую проставку. Одна из крышек служит мембраной, на которой узловыми точками закреплен кварцевый ТП.

Соединение резонатора с мембраной, мембраны с проставкой, проставки с крышкой осуществляется легкоплавким стеклом, при этом внутренняя полость вакуумирована. На мембране методом вакуумного напыления нанесены тонкопленочные электроды, проходящие через зону стеклоспая мембраны с крышкой, образуя снаружи контактные площадки, предназначенные для подключения ПЧЭ к внешней электронной схеме. Измеряемое давление воздействует на мембрану и крышку. Под действием этого давления мембрана прогибается, растягивая ТП и изменяя его резонансную частоту. В результате изменяется частота выходного сигнала датчика.

Мембранные ПЧЭ производятся на ряд диапазонов абсолютных давлений с нижним пределом от 0,007 МПа до диапазона верхних пределов измерений (ВПИ) от 0,1 до 16,0 МПа. [3]

Конструктивно ПЧЭ с разными ВПИ отличаются разной толщиной кварцевых мембран.

Недостатками этой конструкции являются относительно крупные габариты, а также ограниченная допустимая перегрузка по давлению, превышение которой может привести к разрушению кварцевой мембраны или отслаиванию ее стеклоспая, испытывающего усилия на отрыв.

Прототипом предлагаемого устройства является ПЧЭ объемного сжатия, содержащий вытянутый карандашеобразный корпус из пьезокристаллического материала и вытянутую вдоль длины корпуса полость, в которой помещен ТП, жестко соединенный с ее торцевыми стенками. [4] Причем корпус сформирован в виде пакета из двух или более кварцекристаллических пластин одинаковой длины, жестко соединенных по периферии больших граней, а герметичная полость образована углублениями в центральной части соединяемых больших граней двух внешних пластин, а при формировании пакета с 3-й внутренней пластиной, также сквозными отверстиями в центре ее больших граней, равных соединяемым граням внешних пластин.

В варианте прототипа (фиг. 1) герметичная полость образована соединением по периферии двух внешних пластин 1 и 2 с углублениями 3 и 4, причем одно углубление 3 на пластине 1 длиннее углубления 4.

На образованных из-за разницы в длине углублений выступах 5 внутри полости жестко закреплен узловыми точками ТП 6 в виде сдвоенного камертона. Причем его резонирующая часть 7 (ветви и прилегающие к ним участки оснований) расположена в пределах короткого углубления 4 внешней пластины 2.

В варианте прототипа (фиг. 2) герметичная полость образована соединением по периферии трех пластин одинаковой длины, двух внешних 1 и 2 с углублениями 3 и 4 и одной внутренней 6 со сквозными отверстиями в центре, образующими монолитно связанный с ее периферией ТП в форме сдвоенного камертона. В обоих вариантах ось ТП, совпадающая с его длиной, направлена вдоль длины относительно узкой полости корпуса.

Измеряемое давление действует на корпус из пакета соединенных пластин со всех сторон и из-за относительно малого сечения полости кварцевые детали корпуса и соединительные швы испытывают преимущественное сжатие.

Известно, что предел прочности кристаллов на сжатие во много раз выше, чем предел прочности на растяжение. [5] Поэтому ПЧЭ объемного сжатия, в отличие от мембранного ПЧЭ, может быть выполнен на измерения больших давлений (более 100 МПа) и выдерживать большие перегрузки, более 100%.

Причем на ТП воздействует (изменяет частоту) та часть давления Р, вектор которой параллелен оси его чувствительности.

Поэтому у варианта фиг. 2 деформация корпуса напрямую без трансформации передается на ТП, обеспечивая за счет подбора геометрических размеров высокую чувствительность ПЧЭ.

Тонкопленочные электроды ТП выводятся из полости через зону соединения пластин 8 на контактные площадки 9, выполненные в пределах периметра пакета за счет скосов 10 на концах внешних пластин.

К этим контактным площадкам посредством пайки или склейки присоединяются гермовывода 11, которые выполняют функцию электрического соединения с генератором 12, расположенным в наружном отсеке датчика, а также функцию держателя ТП в измерительном отсеке 13 датчика.

Малые поперечные размеры ПЧЭ, расположение точек соединения контактных площадок с гермовыводами в пределах поперечного сечения ПЧЭ, позволяют использовать его в скважинных цилиндрических датчиках малого диаметра, что удешевляет и увеличивает возможности бурения, мониторинга и эксплуатации скважин.

Недостатками прототипа является близкое расположение контактных площадок к рабочим торцам пакета, воспринимающих полезную составляющую силы объемного сжатия ПЧЭ. Так, изменение во времени структуры клея или припоя на контактных площадках, расположенных вблизи торцов корпуса ПЧЭ, может исказить преобразование давления в частоту.

Изменение температуры также уменьшает точность преобразования из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) кристаллического материала корпуса и материала, соединяющие контактные площадки с выводами.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении кратковременной и долговременной стабильности, с возможностью сохранения малых поперечных размеров корпуса, датчиков давления в которых будет установлен предлагаемый ПЧЭ.

Поставленная задача решается следующим образом.

В известном ПЧЭ давления, содержащем корпус из пьезокристаллического материала и герметичную газозаполненную или вакуумированную полость, в которой к ее поверхности узловыми точками жестко закреплен ТП с тонкопленочными электродами, соединенными с металлизированными контактными площадками, расположенными на внешней поверхности корпуса в пределах проекции его поперечного сечения, причем корпус с полостью и ТП сформирован в виде пакета не мене чем из двух пластин, сориентированных по длине D и соединенных по периферии больших граней, герметичная полость длиной L, также сориентированная по длине пакета D, образована сквозными отверстиями и углублениями в центральной части соединяемых больших граней пластин, высота пакета Н определяется толщиной пластин и толщиной соединительного материала, герметичная полость длиной L, также сориентированная по длине пакета D, образована сквозными отверстиями и углублениями в центральной части соединяемых больших граней пластин, ее длина больше или равна длине резонирующей части ТП S, ее ширина A и ширина пакета В параллельны плоскости соединяемых граней и перпендикулярны оси пакета по длине, ширина полости А больше ширины резонирующей части ТП R, высота полости h перпендикулярна соединяемым граням и превышает толщину U резонирующей части ТП. Между этими параметрами соблюдаются следующие соотношения:

L>A>R; L>h>U; B>A>R; D>L>=S; D>H>h.

Для получения технического результата выраженного в ослаблении влияния внешних нестабильных термомеханических воздействий с сохранением положительных свойств прототипа (малых размеров поперечного сечения, способности выдерживать большие перегрузки по давлению и температуре) одна из внешних пластин пакета выполнена длиннее остальных пластин и выступающей по длине за их пределы с одной или в варианте с обеих сторон, с контактными площадками, сформированными на выступающих частях этой удлиненной пластины. С увеличением выступа эффект ослабления дестабилизирующего влияния монтажа на контактные площадки вначале монотонно возрастает и затем этот рост замедляется достигая насыщения. Как показали результаты ОКР по разработке ПЧЭ объемного сжатия, значимый результат по увеличению его стабильности получен при величине выступа, превышающей четверть ширины пакета. Выполнение выступов величиной больше, чем длина активной части пакета, чрезмерно увеличивает длину ПЧЭ, при этом дальнейший рост его стабильности незначителен [3]. В варианте с двусторонним удлинением пластины повышается надежность ПЧЭ за счет резервирования контактных площадок.

В наименее трудоемком варианте ПЧЭ его корпус состоит из двух внешних пластин: короткой и длинной, а ТП узловыми точками закреплен соединительным материалом на уступах, образованных внутри полости после герметичного соединения длинной пластины пакета с коротким углублением и короткой пластины с длинным углублением, причем электроды ТП соединены с металлизированной дорожкой, сформированной на внешней удлиненной пластине с коротким углублением, и без нарушения герметичности выведены через соединение граней внешних пластин до контактных площадок.

В варианте ПЧЭ, в котором можно ожидать максимального достижения цели по повышению точности, его корпус состоит из трех пластин: двух внешних - короткой и длинной, и внутренней по длине, равной короткой внешней пластине. В центральной части больших граней внутренней пластины посредством сквозных отверстий и двусторонних углублений сформирован монолитно связанный с ней ТП. Внутренняя пластина по утолщенному периметру больших граней жестко соединена с плоскими гранями внешних пластин с образованием внутренней вакуумируемой полости и свободного пространства вокруг резонирующей части пьезорезонатора. Резонирующая часть, это та часть кристалла, которая при резонансе колеблется. У камертонного резонатора это ветви и часть основания, объединяющая ветви и удаленная от их соединения на расстояние, равное трем их ширинам.

В варианте ПЧЭ внутренняя пластина с ТП выполнена без двусторонних углублений, а герметичная полость и свободное пространство вокруг резонирующей части образована углублениями на внешних пластинах.

В варианте ПЧЭ пакет состоит из 5 пластин: внутренней, с ТП без двусторонних углублений в виде плоскопараллельной рамки, к которой с двух сторон жестко закреплены две пластины в виде рамок со сквозными отверстиями, расположенными над резонирующей частью тензочувствительного пьезорезонатора, и две внешние, без сквозных отверстий и углублений.

В варианте для получения большей точности в широком диапазоне температур пластины и ТП, выполнены из пьезокристаллического материала с одинаковой кристаллографической ориентацией, жестко соединены между собой легкоплавким стеклом или стеклоцементом с согласованным температурным коэффициентом линейного расширения, при этом материал, кристаллографическая ориентация и форма ТП определяют среднюю частоту его резонансных колебаний и величину тензочувствительности.

В варианте детали корпуса и ТП могут быть выполнены из монокристаллического кварца. Причем ТП может быть в форме сдвоенного камертона Z среза с резонансной частотой 2-200 кГц или в виде полоска AT среза с резонансной частотой 3-20 МГц.

При высокотемпературном применении заявляемого устройства детали корпуса ПЧЭ и ТП могут быть выполнены из монокристаллов Лангасита или Лангатата [6].

Для минимизации поперечного размера датчика и объема силопередающей жидкости части внешней поверхности пакета корпуса чувствительного элемента может быть придана форма, близкая к цилиндрической.

Изобретение поясняется фиг. 1-6.

На фиг. 1 и 2 изображены варианты прототипа, у которых все пластины корпуса равны по длине и не выступают за его габариты.

На фиг. 3 изображен вариант исполнения, заявляемого ПЧЭ с двусторонними выступами удлиненной внешней пластины корпуса.

На фиг. 4 изображен вариант ПЧЭ, корпус которого состоит из трех пластин - двух внешних без углублений и внутренней, в утонщенной центральной части которой сформирован ТП, монолитно связанный в узловых точках с утолщенной периферией, выполненной в виде рамки, края которой выходят на внешнюю поверхность, воспринимающую измеряемое давление. На фиг. 4 также показано соединение гермовыводов с одной стороны с контактными площадками и с другой стороны с генератором.

На фиг. 5 изображен вариант ПЧЭ, аналогичный варианту прототипа, изображенному на фиг. 2, у которого плоская рамка с монолитно связанным пьезорезонатором выходит на внешнюю поверхность корпуса, а полость над резонирующей частью резонатора образована углублениями на внешних пластинах пакета.

На фиг. 6 изображен вариант ПЧЭ, где внешние пластины и внутренняя пластина с ТП плоские без углублений, а полость над резонирующей частью резонатора образована двумя дополнительными пластинами со сквозными отверстиями в виде рамок.

На чертежах аналогичные элементы имеют одинаковые цифровые и буквенные обозначения.

1-2 - внешние пластины пакета, образующие корпус ПЧЭ. У прототипа эти пластины имеют одинаковую длину, а у вариантов заявляемого устройства 2 - это удлиненная пластина.

3-4 - углубления во внешних пластинах (1, 2).

Для вариантов Фиг. 1 (прототип) и Фиг. 3 (заявляемый вариант).

5 - уступ внутри полости образованной после соединения внешних пластин пакета 1 и 2 с углублениями 3 и 4, причем углубление 4 короче углубления 3.

6 - ТП, края которого не выходят на внешнюю поверхность пакета и жестко закреплены узловыми точками на уступах 5.

Для фиг.2 (прототип) и для фиг. 4, 5, 6 (варианты заявляемого устройства).

6 - ТП, сформированный на внутренней пластине пакета, края которой выходят на его внешнюю поверхность.

7 - резонирующая часть ТП.

8 - зона соединения пластин пакета соединительным материалом, в частности легкоплавким стеклом с ТКЛР, согласованным с ТКЛР материала пластин пакета.

9 - контактные площадки - место электропроводного и механического крепления ПЧЭ в преобразователе давления.

10 - скосы на торцах одной из внешних пластин, образующие на сопряженной внешней пластине контактной площадки для вариантов фиг. 1, 2, 4, 5, 6.

11 - гермовыводы, к которым токопроводящим клеем или припоем присоединены контактные площадки ПЧЭ.

12 - генератор, соединенный с электродами ТП также через гермовыводы.

13 - среда с измеряемым давлением, в варианте измерительный отсек датчика давления.

D - длина пакета.

d - для заявляемых вариантов это длина активной части пакета без удлиненной пластины.

В - ширина пакета.

Н - высота пакета.

L, А и h - длина, ширина и высота полости соответственно.

S, R и U - длина, ширина и высота резонирующей части - 7 ТП соответственно.

Составные части и принцип действия вариантов прототипа (см. фиг. 1, 2), приведенные в соответствующем разделе описания, в вариантах заявляемого ПЧЭ сохранены, а достоинства, позволяющие реализовать высокоточные датчики давления, существенно развиты.

Основное техническое решение, дающее преимущество во всех вариантах, заявляемого устройства, это удаление от его активной зоны 1, 6, 7, воспринимающей измеряемое давление, зоны крепления ПЧЭ 9 к гермовыводам 11, за счет выполнения корпуса ПЧЭ, состоящего из пакета пластин 1, 2, 6, 14, с одной удлиненной внешней пластиной 2 с контактными площадками 9.

В вариантах заявляемого устройства, наряду с основным эффектом увеличением термомеханической развязки достигаются дополнительные результаты: так на чертеже фиг. 3 изображен наименее трудоемкий вариант ПЧЭ. Здесь корпус состоит из двух пластин 1 и 2 простой прямоугольной формы. ТП 6, закрепленный внутри полости, имеет малые размеры и в случае применения монокристаллического кварца может быть изготовлен групповым фотолитографическим способом. Удлиненная пластина 2 может быть выполнена выступающей с одной или с двух сторон. Это расширит возможности его монтажа в корпусе датчика. Как уже отмечалось, положительный эффект от формирования контактных площадок на выступающих частях удлиненной пластины становится заметным при величине выступа не менее четверти ширины пакета.

Из всех описанных вариантов нового ПЧЭ наибольшими возможностями по достижению высокой точности измерений имеет модификация ПЧЭ, изображенная на фиг. 4. Здесь пакет состоит из внутренней пластины 6 с утолщенной периферией в виде рамки и с сформированным в ее центральной части ТП с более тонкой резонирующей частью 7, толщина рамки h задает высоту полости, и двух внешних пластин без углублений - короткой 1 и удлиненной 2. Основной вклад в нестабильность преобразования ПЧЭ вносит материал, соединяющий пластины пакета.

В вариантах, см. фиг. 2, 4, 5, 6, внутренняя пластина с сформированным ТП, выходит на внешнюю поверхность пакета, поэтому ее торцы непосредственно воспринимают внешнее давление, под действием которого рамка 6 сжимается по длине. Это тензовоздействие, минуя соединительные швы, передается на резонирующую часть ТП 7 соответственно изменяя частоту резонанса.

Внешние пластины пакета 1 и 2 в основном обеспечивают существование вакуумированной полости, в которой свободно размещается резонирующая часть ТП 7. Для того чтобы минимизировать дестабилизирующее влияние двух швов их выполняют минимальной толщины и располагают на максимально возможном удалении от резонирующей части ТП 7. Последнее возможно за счет увеличения отношения толщины рамки внутренней пластины ТП 6 к толщине резонирующей части ТП 7 (см фиг. 5).

Для уменьшения влияния изменения температуры все детали корпуса выполняются из монокристаллического материала с одинаковой кристаллографической ориентацией, а соединительный материал выбирается с близким ТКЛР.

На фиг. 6 изображен ПЧЭ, в котором у пяти пластин, соединенных в пакет, отсутствуют углубления, а вакуумированная полость образована двумя дополнительными пластинами 14, имеющими вид рамки со сквозным отверстием в центре.

Из-за отсутствия у пластин пакета асимметрии по толщине у данного варианта ПЧЭ будет меньшее влияние градиента температуры.

В настоящее время наиболее применяемый в пьезорезонансных устройствах материал - это искусственный монокристаллический кварц, для которого разработаны процессы групповой технологии изготовления деталей. Но у монокристаллического кварца при температуре 573°C происходит структурный фазовый переход, и монокварц теряет пьезоэлектрические свойства, а сам резкий переход может вызвать его разрушение [5].

При необходимости применения частотных датчиков давления при высоких температурах окружающей среды, например, атомные реакторы, сверхглубокие скважины и т.д., предлагаемый ПЧЭ можно изготовить из перспективных искусственных монокристаллов Лангатата или Лангасита, которые по пьезорезонансным свойствам не уступают монокварцу, но не имеют структурных фазовых переходов вплоть до температуры плавления около 1400°C [6].

В случае применения предлагаемого ПЧЭ для измерения давления в неагрессивной и не электропроводной среде - газе или жидкости, его можно использовать, закрепленным на гермовыводах, без внешнего корпуса и упругого силопередающего элемента. В этом случае давление в измеряемой среде будет напрямую воздействовать на ПЧЭ. Поэтому форма его корпуса может иметь простую прямоугольную форму (см. фиг. 3), а само преобразование будет происходить без дестабилизирующих воздействий корпуса и упругого силопередающего элемента (мембраны или сильфона).

Но если использовать предлагаемый ПЧЭ в датчиках, измеряющих давление в агрессивной и (или) электропроводной среде, то его необходимо защитить корпусом и разделительным силопередающим упругим элементом, а для того чтобы довести давление через упругий элемент до ПЧЭ, внутренняя полость корпуса датчика заполняется силопердающей жидкостью. Поэтому к источникам нестабильности бескорпусного датчика - швам и местам крепления ПЧЭ, к гермовводам добавляется остаточная деформация упругого силопередающего элемента и возникновение под действием температуры дополнительного давления внутри герметичного корпуса датчика, заполненного силопередающей жидкостью, так называемый «баллонный эффект».

Интенсивность «баллонного эффекта» возрастает с увеличением объема силопередающей жидкости. Поэтому в конструкциях датчиков давления с разделительным силопередающим упругим элементом и заполнением силопередающей жидкостью объем жидкости в его рабочей полости минимизируется. Для этого внутренняя поверхность рабочей полости датчика выполняется цилиндрической и соответственно внешней поверхности ПЧЭ придается форма, близкая к цилиндрической. Как вариант, на фиг. 4-6 показана форма восьмигранного прутка.

Для подтверждения эффективности предлагаемого технического решения были изготовлены образцы ПЧЭ, соответствующие заявляемому варианту, изображенному на фиг. 4 и контрольные образцы, соответствующие прототипу. Образцы, рассчитанные на давление до 60 МПа, собраны из одинаковых деталей из монокристаллического кварца Z среза за исключением одной внешней пластины 2, которая у заявленного ПЧЭ выполнена удлиненной с контактными площадками, расположенными на ее выступающей части, величина которой выполнена больше ширины пакета. Резонирующая часть ТП 7 выполнена с двусторонним утоньшением относительно периферии и имеет форму сдвоенного камертона с резонансной частотой около 48 кГц. Внешние пластины 1 и 2 выполнены без углублений и соединены с рамкой ТП 6 легкоплавким стеклом 2ЛС [7]. Габаритные размеры контрольных образцов D, В, Н и заявляемых образцов d, В, Н, D соответственно равны 10; 4; 4 и 14,5; 4; 4; 10 мм. Таким образом, отличие изготовленных образцов ПЧЭ заключалось только в разной удаленности контактных площадок от ТП.

Влияние этого отличия на предполагаемое дестабилизирующее воздействие клеевого соединения контактных площадок с гермовыводами определялось по измерению временного дрейфа условного «0» барочастотных характеристик (БЧХ) ПЧЭ относительно их начальных значений. За начальное значение «0» БЧХ принималась резонансная частота образца ПЧЭ, измеренная при атмосферном давлении и комнатной температуре при минимальном влиянии контактирования со схемой генератора.

Для этого к контактным площадкам ПЧЭ точечной сваркой приваривались отрезки золотой проволоки диаметром 30 мкм. Вторые свободные концы приваренных золотых проволочек через контактирующие зажимы подсоединялись к технологическому генератору и частотомеру. При этом корпус ПЧЭ свободно размещался на столе. Учитывая то, что образцы ПЧЭ были выполнены на диапазон измерения давления от 0 до 60 МПа с полезной девиацией частоты около 3 кГц, то влияние изменения атмосферного давления на показания ПЧЭ (не более 0,5 Гц) пренебрегалось. После фиксации исходной «0» частоты золотые проволочки от контактных площадок ПЧЭ отрывались и на их место токопроводящим фиксирующим клеем присоединялись гермовывода. После приклейки образцы помещались в печь и выдерживались там при температуре 150°C не менее 1600 часов с периодическим измерением дрейфа (отклонения) их нулевых частот относительно начальных при соответствующих условиях измерений (при атмосферном давлении и комнатной температуре). Причем с целью стабилизации переходных процессов после сборки и приклейки первое измерение дрейфа БЧХ проводилось не ранее чем через 150 часов после приклейки гермовыводов.

Результаты измерений представлены на фиг. 7 в виде семейств зависимостей дрейфа нуля БЧХ образцов соответствующих прототипу (П) и заявляемой конструкции (З). Из сравнения этих зависимостей следует, что у образцов (З) дрейф нуля БЧХ на порядок меньше. Так за первые 600 часов выдержки образцов ПЧЭ при температуре 150°C среднее значение дрейфа нуля БЧХ с интервалом рассеивания составили у прототипа 22,7 Гц плюс минус 3 Гц, а у заявляемого варианта всего 2,7 Гц плюс минус 2 Гц. Далее у образцов (З) интенсивность и рассеивание дрейфа нуля БЧХ стабилизировались на минимальном уровне и за последующие 1000 часов составили 0,5 Гц плюс минус 0,2 Гц, а у прототипа 6 Гц плюс минус 4 Гц. Кроме значительного дрейфа нуля БЧХ образцов (П) на зависимостях наблюдается кратковременная нестабильность нуля БЧХ, равная 2 Гц плюс минус 1,5 Гц.

Таким образом, если датчики со сравниваемыми ПЧЭ откалибровать после стабилизационной выдержки (600 часов при 150°C), то можно ожидать дрейф нуля БЧХ (старение) за год: - у заявляемого ПЧЭ - 4,3 Гц или 0,14% от ВПИ, а у прототипа - 51,8 Гц или 1,7% от ВПИ.

Проведенные сравнительные испытания опытных образцов заявляемой конструкции ПЧЭ подтверждают получение технического результата и достижение поставленной цели, заключающейся в возможности создания и производства малогабаритных высокоточных датчиков с малым дрейфом (старением) БЧХ, а значит, с большим межповерочным интервалом.

Литература

1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат, 1989. - с. 155.

2. Поляков В.Б., Поляков А.В., Одинцов М.А. Перспективы кварцевых пьезорезонансных датчиков давления // Журнал Приборы. - 2011. №3. - с. 39.

3. Общество с ограниченной ответственностью «Специальное конструкторское техническое бюро электроники, приборостроения и автоматизации»: [Электронный ресурс]. URL: http://www.sktbelpa.ru.

4. Пат. 2282837 Российская Федерация, МПК: G01L 9/08. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления. Авторы и патентообладатели: Симонов В.Н., Поляков В.Б., Поляков А.В.; опубл. 27.08.2006.

5. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. М.: Энергия, 1970.

6. Андреев И.А. Монокристаллы семейства лангасита - необычное сочетание свойств для применений в акустоэлектронике // Журнал технической физики. - 2006. Т. 76. №6. - с. 80.

7. Пат. РФ 2540749, МПК: C03C 3/074. Легкоплавкое стекло «2 ЛС». Патентообладатель ООО «СКТБ ЭлПА». Авторы: Рачковская Г.Е., Поляков В.Б., Поляков А.В., Семенкова О.С.; опубл. 10.02.2015.

Claims (13)

1. Пьезорезонансный чувствительный элемент (ПЧЭ) давления, содержащий корпус из пьезокристаллического материала и герметичную газозаполненную или вакуумированную полость, в которой к ее поверхности узловыми точками жестко закреплен тензочувствительный пьезорезонатор (ТП) с тонкопленочными электродами, соединенными с металлизированными контактными площадками, расположенными на внешней поверхности корпуса в пределах проекции его поперечного сечения, причем корпус с полостью и ТП сформирован в виде пакета, не менее чем из двух пластин, сориентированных по длине D и соединенных по периферии больших граней, высота пакета Н определяется толщиной пластин и толщиной соединительного материала, герметичная полость длиной L, также сориентированная по длине пакета D, образована сквозными отверстиями и углублениями в центральной части соединяемых больших граней пластин, ее длина больше или равна длине резонирующей части ТП S, ее ширина А и ширина пакета В параллельны плоскости соединяемых граней и перпендикулярны оси пакета по длине; ширина полости А больше ширины резонирующей части ТП R, высота полости h перпендикулярна соединяемым граням и превышает толщину резонирующей части ТП U, между этими параметрами соблюдаются следующие соотношения:

L>A>R; L>h>U; B>A>R; D>L>=S; D>H>h,

отличающийся тем, что одна из внешних пластин пакета за счет большей длины выполнена выступающей по длине за пределы остальных более коротких пластин с одной или в варианте с обеих сторон, с контактными площадками, сформированными на выступающих частях этой удлиненной пластины.

2. ПЧЭ давления по п. 1, отличающийся тем, что размер выступа удлиненной внешней пластины с контактными площадками по длине пакета составляет не менее четверти размера его ширины В.

3. ПЧЭ давления по п. 1, отличающийся тем, что его корпус с герметичной полостью образован соединением короткой и длинной внешних пластин с углублениями разной длины, причем углубление большей длины выполнено на короткой внешней пластине, а ТП узловыми точками закреплен соединительным материалом на уступах, образованных внутри полости из-за разной длины углублений на внешних пластинах пакета, причем электроды ТП соединены с металлизированной дорожкой, сформированной на внешней удлиненной пластине с коротким углублением и без нарушения герметичности выведены через соединение граней внешних пластин до контактных площадок.

4. ПЧЭ давления по п. 1, отличающийся тем, что его корпус состоит из трех пластин: двух внешних - короткой и длинной, и короткой внутренней, в центральной части больших граней которой посредством сквозных отверстий и двусторонних углублений сформирован монолитно связанный с ней ТП, а по утолщенному периметру больших граней она жестко соединена с гранями внешних пластин с образованием внутренней вакуумируемой полости и свободного пространства вокруг резонирующей части ТП.

5. ПЧЭ давления по п. 1, отличающийся тем, что его корпус состоит из трех пластин: двух внешних - короткой и длинной, и короткой внутренней, в центральной части больших граней которой посредством сквозных отверстий сформирован монолитно связанный с ней ТП, а по периметру больших граней она жестко соединена с гранями внешних пластин, в центральной части которых сформированы углубления, образующие вакуумируемую полость и свободное пространство вокруг резонирующей части ТП.

6. ПЧЭ давления по п. 1, отличающийся тем, что пакет состоит из 5 пластин: внутренней, с ТП без двусторонних углублений, к которой с двух сторон жестко закреплены две пластины в виде рамок со сквозными отверстиями, расположенными над резонирующей частью ТП, и две внешние, без сквозных отверстий и углублений.

7. ПЧЭ давления по любому из пп. 3-6, отличающийся тем, что пластины и ТП выполнены из пьезокристаллического материала с одинаковой кристаллографической ориентацией, жестко соединены между собой легкоплавким стеклом или стеклоцементом с согласованным температурным коэффициентом линейного расширения, при этом материал, кристаллографическая ориентация и форма ТП определяют среднюю частоту его резонансных колебаний и величину тензочувствительности.

8. ПЧЭ давления по п. 7, отличающийся тем, что детали корпуса и ТП выполнены из монокристаллического кварца, причем ТП может быть в форме сдвоенного камертона Z среза с резонансной частотой 2-200 кГц или в виде полоска AT среза с резонансной частотой 3-20 МГц.

9. ПЧЭ давления по п. 7, отличающийся тем, что детали корпуса ПЧЭ и ТП выполнены из монокристаллов Лангасита или Лангатата.

10. ПЧЭ давления по любому из пп. 3-5 или 6, отличающийся тем, что его корпус, состоящий из пакета пластин, выполнен прямоугольной формы.

11. ПЧЭ давления по любому из пп. 3-5 или 6, отличающийся тем, что части внешней поверхности пакета корпуса придана форма, близкая к цилиндрической.

Images