Датчик давления Советский патент 1988 года по МПК G01L9/08 

(Л

Од 4

сл

ГС

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повьшение чувствительности датчика к изменению давления. При отклонении измеряемого давления дентр мембраны 1 прогибается, изменяется частота толщинно-сдвиговых колебаний пьезо- .элемента 5. Прогиб мембраны 1 приводит к уменьшению угла, образованного силовыми линиями электрического поля и поверхностью пьезоэлемента 5. В то же время увеличивается величина емкости зазора, что ведет к уменьшению частоты генерадии. Регистрируя изменения частоты с помош;ью измерителя частоты, судят о величине измеряемого давления. 6 ил.

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве разнообразньпс датчиков механических величин, таких как давле- ния и силы.

Целью изобретения является повьше- ние чувствительности датчика к изменению давления.

На фиг. 1 лредставлена конструкция предлагаемого датчика} на фиг. 2 - мембрана} на фиг. 3-5 чертежы пьезо- элемента; на фиг. 6 - схема включения .атчика в автогенератор.

Датчик (фиг. 1) содержит мембрану 1 из кремния п-типа проводимости со слое.м окисла 2, в центре мембраны имеется область Р-типа проводимости 3 радиусом R с электродами 4 из металла например алюминия (фиг. 2), кварцевый пьезоэлемент АТ-среза 5 (фиг. 3), вьшолненный в виде обратной мезаструк туры с электродом 6, который выполнен в виде подковы (фиг. 5), передняя кромка которой представляет собой участок окружности радиусом R и раскрытием а 90°, расположенный симметрично оси z пьезоэлемента 5. Кремниевая мембрана 1 подсоединяется к пьезоэлементу 5 посредством слоя припоя 7 со стороны, противоположной той на которой расположен электрод 6. Надежное соединение между элементами 1 и 5 достигается тем, что в мембране 1 формируется углубление (фиг. 2) по ее краю, на поверхность которого наносится слой 8 металла, а на пьезоэле менте 5 формируется кольцо 9 (фиг.4) из металла, смачиваемого припоем 7 и подобного металлу слоя 8. Полость, заключенная между плоскостями мембраны 1 и пьезоэлемента 5, вакуумирует- ся для исключения возникновения стоячих волн в ней, что позволяет добиться высокой добротности резонатора, под которым понимают совокупность пьезоэлемента 5 и электродов 4 и 6. Вьшолнение электрода 6 в виде подко- вы с раскрытием с 90° обусловлено тем, что в этом случае обеспечивается компромисс между величиной сопротивления потерь R д. и диапазоном изменени частоты резонатора, так как увеличение угла 0 ведет к уменьшению R а и диапазона изменения частоты резонатора и наоборот. Отметим, что мембрана 1 и пьезоэлемент 5 установлены так.

0

5

0

0

что их оси симметрии, перпендикулярные их плоскостям, совпадают. . Датчик работает следующим образом.

При номинальном давлении Р мембрана 1 находится на определенном расстоянии от плоскости пьезоэлемента 5, в котором с помощью автогенератора 10 возбуждаются толщинно-сдвиговые колебания с частотой f, которая регистрируется измерителем 11 частоты, фиксируя показания которого, судят о величине измеряемого давления.

При отклонении измеряемого давления на величину ЛР центр мембраны 1 прогибается на величину сГ от своет о исходного положения. При этом изменяется частота толщинно-сдвиговых колебаний пьезоэлемента 5 за счет изменения величины емкости зазора, в котором возбуждается пьезоэлемент 5 и который образован плоскостями мембраны 1 И пьезоэлемента 5, а также за счет изменения угла наклона электрического поля относительно поверхности пьезоэлемента 5. Это эквивалентно изменению угла среза кварцевого пьезоэлемента, что приводит к изменению резонансной частоты пьезоэлемента.

Прогиб мембраны 1 приводит к уменьшению угла, образованного силовыми ли- линиями электрического поля и поверхностью пьезоэлемента 5. Это эквивалентно (при данном размещении электрода 6 относительно кристаллографических осей кварца) уменьшению угла среза пьезоэлемента 5, что ведет к уменьшению частоты генерации. В то же время прогиб мембраны 1 приводит к увеличению величины емкости зазора, а также к уменьшению частоты генерации. Таким образом, изменение частоты генерации в данном случае обусловлено двумя эффектами, описанными Bbmie и приводящими к изменению частоты резонатора в одну сторону. Регистрируя изменения частоты с помощью измерителя 11 частоты, судят о величине 4Р. Такая конструкция датчика позволяет повысить его чувствительность к изменению давления.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий квар- цевьй резонатор в виде обратной меза- структуры с утонченным центральным и утолщенным периферийным участками и кремниевую мембрану, имеющую форму

колпачка, с утолщенной периферийной частью, скрепленную своей плоской поверхностью с периферийньм участком резонатора, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в нем мембрана выполнена из окисленного кремния п-типа провод мости, в центре которой сформирована область р-типа проводимости, ограниченная окружностью с радиусом R и

А7-среэ

Фиг.З

снабженная с двух сторон круговыми электродами, а резонатор с внешней стороны снабжен электродом, вьшолнен- ным в виде части дуги окружности с раскрытием в 90°, передняя кромка которой расположена на радиусе R от центра резонатора, и расположенным симметрично относительно кристаллографической оси Z кварцевого резонатора.

фаз. 2

Фиг.

Y

Фиг. 5