БАРОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1998 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к измерительной, в частности пьезорезонансной технике.

В современной пьезорезонансной технике для разработки датчиков давления используются преобразователи давления, или барочувствительные элементы (БЧЭ).

Широко известны БЧЭ, выполненные на основе мембран с расположенными на них силочувствительными элементами. Так преобразователь давления [1] содержит кремниевую пластину с мембраной, на которой расположен тензорезисторный мост, и кремниевую крышку.

Более совершенными по метрологическим характеристикам в сравнении с полупроводниковыми являются БЧЭ, выполненные из пьезоэлектрических материалов (монокристаллического кварца, ниобата лития и т.д.) с согласованной ориентацией [2].

В простейшем варианте такой БЧЭ содержит крышку и мембрану, в центре которой закрепляется силочувствительный пьезоэлемент, работающий в вакуумированном пространстве. Если мембрана и крышка выполнены без выборки, то для создания герметичной вакуумной плоскости в комплект корпусных деталей вводится прокладка с отверстием. Все детали жестко соединяются каким-либо способом: клейкой пайкой, стеклоспаем и т.д.

БЧЭ такой конструкции в настоящее время используются в различных отраслях промышленности. Однако при высоких давлениях (до 10 МПа и выше) известные БЧЭ стабильно не работают, так как из-за текучести соединительного материала возникает большой гистерезис и кроме того соединения разрываются. Разрыва происходят потому, что под давлением мембрана и крышка прогибаются внутрь БЧЭ, создавая изгибающий момент относительно контура герметичной полости. Этот момент работает на разрыв соединений.

Целью изобретения является получение БЧЭ с малым гистерезисом, способных стабильно работать не разрываясь при высоких давлениях.

Поставленная цель достигается следующим образом.

Учитывая, что давление передается не только рабочей поверхности мембраны и крышки, но и их соединенной поверхности, можно добиться того, что изгибающий момент , уравновесится моментом M_u = Pl, где d - диаметр рабочих частей мембраны и крышки, задаваемый диаметром отверстия в прокладке; l - минимальный линейный размер соединения. Для этого необходимо, чтобы . В этом случае сила, разрывающая соединения, сводится к 0.

Отличие предлагаемого БЧЭ от известного заключается в том, что он имеет малый гистерезис и способен стабильно работать при высоких давлениях за счет исключения возникающего при нагрузке на рабочую поверхность мембраны и крышки изгибающего момента, разрывающего соединения БЧЭ.

Увеличение диаметра отверстия в прокладке при неизменных БЧЭ приводит к разрушению соединений, уменьшение - ограничивается чувствительностью БЧЭ, так как она уменьшается с уменьшением диаметра.

На чертеже представлен БЧЭ, состоящий из мембраны 3, к которой прикреплен силочувствительный пьезоэлемент 4, прокладки 2 с диаметром отверстия d, и крышки 1. Минимальный линейный размер соединения l. При воздействии давления P мембрана 3 БЧЭ прогибается и растягивает пьезоэлемент 4. При этом частота пьезоэлектрических колебаний пьезоэлемнта, электроды которого подключаются к генератору, изменяется пропорционально приложенному давлению.

Предлагаемый БЧЭ позволяет разрабатывать датчики для высоких давлений, стабильно работающие и с малым гистерезисом.

Изобретение относится к пьезорезонансным датчикам давления и направлено на повышение надежности барочувствительного элемента (БЧЭ) при работе при высоких давлениях, за счет исключения возникающего при нагрузке на рабочую поверхность мембраны и крышки изгибающего момента. В БЧЭ, содержащем мембрану 3 с пьезоэлементом 4, жестко скрепленную с крышкой 1 через прокладку 2 с отверстием диаметром d, образующим герметичную полость и задающим рабочую поверхность мембраны, диаметр d отверстия прокладки 2 выбран из условия, d/2 ≤ l, где l - минимальный линейный размер места соединения мембраны 3 с прокладкой 2. 1 ил.

Барочувствительный элемент, содержащий мембрану с пьезоэлементом, жестко скрепленную с крышкой через прокладку с образованием между крышкой и мембраной герметичной полости, при этом в прокаладке выполнено отверстие диаметром d, задающее рабочую поверхность мембраны, отличающийся тем, что в нем диаметр d отверстия прокладки выбран из условия d/r ≤ l, где l - минимальный линейный размер места соединения мембраны с прокладкой.