Датчик давления

. КолесниЧерепков 8. Бюп ьян, Е, т и А И В, Пь Энерг езонансные1978, с. 1 тво СССР 08 видетельсС 01 1. 9/ВЛЕНИЯие относи 1985,я к измери- бретения ик тчика л,9 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗ(21) 4084589 (22) 07.07.8 (4 б) 30,07.8 (72) В,Г,Кас В.Л.Сорокопу (53) 531. 787 (56) Малов В датчики, М.Авторское У 1323881, кл (54) ДАТЧИК (57) Изобрет тельной техн повышение чувствительнос ЯО 1413452 А 1 к изменению давления, При отклоненииизмеряемого давления центр мембраны1 прогибается, изменяется частотатолщинно-сдвиг овых кол еб аний пьез оэлемента 5, Прогиб мембраны 1 приводит к уменьшению угла, образованногосиловыми линиями электрического поляи поверхностью пьезоэлемента 5. Вто же время увеличивается величинаемкости зазора, что ведет к уменьшению частоты генерации, Регистрируяизменения частоты с помощью измерителя частоты, судят о величине измеряемого давления. б иИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве разнообразных датчиков механических величин, таких как давления и силы.Целью изобретения является повыше ние чувствительности датчика к изменению давления,На фиг, 1 представлена конструкция 10 предлагаемого датчика на фиг. 2 - мембрана; на фиг, 3-5 чертежы пьезоэлемента; на фиг. 6 - схема включения ;атчика в автогенератор. Датчик (фиг, 1) содержит мембрану 1 из кремния п-типа проводимости со слоем окисла 2, в центре мембраны имеется область Р-типа проводимости 3 радиусом К с электродами 4 из металла,20 например алюминия (фиг. 2), кварцевый пьезоэлемент АТ-среза 5 (фиг. 3), выполненный в виде обратной мезаструктуры с электродом 6, который выполнен в виде "подковы" (фиг. 5), передняя кромка которой представляет собой участок окружности радиусом К и раскрытием с= 90 , расположенный симметрично оси Е пьезоэлемента 5. Крем/30 ниевая 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 35 1 формируется углубление (фиг, 2) по ее краю, на поверхность которого наносится слой 8 металла, а на пьезоэлементе 5 формируется кольцо 9 (фиг.4) 40 из металла, смачиваемого припоем 7 и подобного металлу слоя 8. Полость, заключенная между плоскостями мембраны 1 и пьезоэлемента 5, вакуумируется для исключения возникновения стоя чих волн в ней, что позволяет добиться высокой добротности резонатора, под которым понимают совокупность пьезоэлемента 5 и электродов 4 и 6. Выполнение электрода 6 в виде"подковы" с раскрытием с= 90 обусловлено50 тем, что в этом случае обеспечивается компромисс между величиной сопротивления потерь Ки диапазоном изменения частоты резонатора, так как увеличение угла Ы ведет к уменьшению К иФ диапазона изменения частоты резонатора и наоборот, Отметим, что мембрана 1 и пьезоэлемент 5 установлены так,что их оси симметрии, перпендикулярные их плоскостям, совпадают.Датчик работает следующим образом.При номинальном давлении Ро мембрана 1 находится на определенном расстоянии от плоскости пьезоэлемента 5, в котором с помощью автогенератора 10 возбуждаются толщинно-сдвиговые колебания с частотой Го, которая регистрируется измерителем 11 частоты, фиксируя показания которого, судят о величине измеряемого давления.При отклонении измеряемого давления на величину А Р центр мембраны 1 прогибается на величину д от св 1 е о исходного положенияПри этом изменяется частота толщинно-сдвиговых колебаний пьезоэлемента 5 за счет изменейия величины емкости зазора, в котором возбуждается пьезоэлемент 5 и который образован плоскостяпж 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 лилиниями 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 времяпрогиб 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 выше и приводящими к изменению частоты резонатора в одну сторону, Регистрируя изменения частоты с помощью измерителя 11 частоты, судят о величине ДР, Такая конструкция датчика позволяет повысить его чувствительность к изменению давления. Формула изобретенияДатчик давления, содержащий кварцевый резонатор в виде обратной мезаструктуры с утонченным центральным и утолщенным периферийным участками и кремниевую мембрану, имеющую форму.Х Фиг. 3 колпачка, с утолщенной периферийной частью, скрепленную своей плоской поверхностью с периферийным участком разонатора, о т л и ч а ю щ и й с я5 тем, что, с целью повышения чувствительности, в нем мембрана выполнена из окисленного кремния и-типа проводимости, в центре которой сформирована область р-тиг.зпроводимости, ограниченная окружностью с радиусом К и снабженная с двух сторон круговыми электродами, а резонатор с внешней стороны снабжен электродом, выполненным в виде части дуги окружности с раскрытием в 93, передняя кромка кооторой расположена на радиусе К от центра резонатора, и расположенным симметрично относительно кристаллографической оси Е кварцевого резонатора.Заказ 3773/43 Тираж 847 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб , д. 4/5