[go: up one dir, main page]

RU2379638C1 - Resonant sensor of pressure, force or motion and method of its manufacturing - Google Patents

Resonant sensor of pressure, force or motion and method of its manufacturing Download PDF

Info

Publication number
RU2379638C1
RU2379638C1 RU2008130663/28A RU2008130663A RU2379638C1 RU 2379638 C1 RU2379638 C1 RU 2379638C1 RU 2008130663/28 A RU2008130663/28 A RU 2008130663/28A RU 2008130663 A RU2008130663 A RU 2008130663A RU 2379638 C1 RU2379638 C1 RU 2379638C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
sensor
console
cantilever
faces
Prior art date
Application number
RU2008130663/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Николаевич Симонов (RU)
Валерий Николаевич Симонов
Любовь Ивановна Симонова (RU)
Любовь Ивановна Симонова
Original Assignee
Валерий Николаевич Симонов
Любовь Ивановна Симонова
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, Любовь Ивановна Симонова filed Critical Валерий Николаевич Симонов
Priority to RU2008130663/28A priority Critical patent/RU2379638C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2379638C1 publication Critical patent/RU2379638C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention is related to the field of measurement equipment, namely to metering converters of pressure, force, accelerations and other mechanical parametres on the basis of resonators arranged from crystalline material, in particular crystalline quartz. Resonant sensor of pressure, force or motion comprises flat membrane and resonators of elastic oscillations arranged from crystalline material and rigidly joined to each other. On surface of membrane there is cantilever formed as a whole with it, having shape of plate, in body of which there are resonators arranged. Cantilever is combined with membrane by one of side faces or areas of one of side faces or areas of one of large faces. Cantilever may have shape of plates, and side faces of resonators may be arranged by means of through holes in plate. Orientation of cantilever faces relative to crystallographic axes of sensor material is selected with account of anisotropy of chemical or plasma-chemical milling speed in sensor material. Some areas of membrane surface inverted to cantilever and at least part of cantilever faces are formed by means of slits in section. Some faces of cantilever plate and some areas of membrane surface - large-size ones - are formed with slits, and other ones - creating thinner and more delicate details of sensor - by chemical or plasma-chemical or ultrasound milling.
EFFECT: improved accuracy of resonant crystalline sensor of low and medium pressures.
8 cl, 17 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно измерительным преобразователям (датчикам) давления, усилий, ускорений и других механических параметров на основе резонаторов, выполненных из кристаллического материала, в частности кристаллического кварца.The invention relates to the field of measuring equipment, namely, pressure transducers (sensors) of pressure, force, acceleration and other mechanical parameters based on resonators made of crystalline material, in particular crystalline quartz.

Известны кварцевые измерительные преобразователи давления, усилия или перемещения, имеющие в качестве чувствительного элемента резонатор упругих колебаний пластины или стержня. Упругие колебания резонатора могут быть возбуждены, например, оптически или с использованием силы Лоренца в магнитном поле, или с использованием пьезоэффекта. Примером рассматриваемых преобразователей являются пьезорезонансные датчики, содержащие корпус, рабочую камеру с резонансным чувствительным элементом - сенсором, электронную схему, возбуждающую колебания посредством пьезоэффекта /Малов В.В., Энергоатомиздат, Москва, 1989 г./. Как правило, у высокоточных преобразователей сенсор целиком выполнен из кристаллического материала и представляет собой герметичный манометрический блок с упругим элементом-мембраной, к которой жестко присоединен тензочувствительный резонатор толщинно-сдвиговых или изгибных колебаний. При воздействии измеряемого параметра на сенсор происходит деформация упругого элемента, что влечет за собой деформацию резонатора. Изменяется резонансная частота резонатора, соответственно изменяется частота периодических импульсов выходного сигнала автогенератора.Known quartz measuring transducers of pressure, force or displacement, having as a sensitive element a resonator of elastic vibrations of the plate or rod. Elastic vibrations of the resonator can be excited, for example, optically or using the Lorentz force in a magnetic field, or using the piezoelectric effect. An example of the transducers under consideration are piezoresonance sensors containing a housing, a working chamber with a resonant sensing element - a sensor, an electronic circuit that excites oscillations through the piezoelectric effect / Malov V.V., Energoatomizdat, Moscow, 1989 /. As a rule, for high-precision transducers, the sensor is entirely made of crystalline material and is a sealed manometric block with an elastic membrane element, to which a strain-sensitive resonator of thickness-shear or bending vibrations is rigidly attached. Under the influence of the measured parameter 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.

Примером такого устройства является измерительный преобразователь давления, сенсор которого имеет форму цилиндра и полностью выполнен из кристаллического кварца /Benjaminson A., Hammond D.L., Piezoelectric transducer and method for mounting same. Pat USA 3617780, 1971/. Тензочувствительный резонатор этого сенсора представляет собой линзообразную пластину в виде перегородки в цилиндре сенсора. В пластине возбуждаются толщинно-сдвиговые колебания на частоте 5 МГц по третьей гармонике. Роль упругого элемента выполняет цилиндрическая мембрана сенсора. Технология изготовления такого сенсора содержит операции распиловки кристалла на заготовки, ориентацию заготовки относительно кристаллографических осей кварца, шлифовку, механическое фрезерование объема заготовки, придание ей цилиндрической формы, сверление цилиндрических отверстий для формирования цилиндрической мембраны, полировку поверхностей пластины и мембраны. Такая конструкция и технология позволяют выполнить сенсор целиком из кристаллического кварца и получить уникальные метрологические характеристики. Однако описанный сенсор имеет существенный недостаток. Рабочий диапазон сенсора составляет сотни атмосфер, а сенсоры на малые и средние диапазоны давлений, изготовленные по такой технологии, имеют недостаточную чувствительность. Для увеличения чувствительности сенсора необходимо использование более чувствительной - тонкой плоской мембраны.An example of such a device is a pressure transducer, the sensor of which is cylindrical and made entirely of crystalline quartz / 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 plate in the form of a partition in the cylinder of the sensor. Thickness-shear oscillations are excited in the plate at a frequency of 5 MHz at the third harmonic. The role of the elastic element is performed by the cylindrical membrane of the sensor. The manufacturing technology of such a sensor includes operations of cutting the crystal into blanks, orienting the blank relative to the crystallographic axes of quartz, grinding, mechanically milling the volume of the blank, giving it a cylindrical shape, drilling cylindrical holes to form a cylindrical membrane, polishing the surfaces of the plate and membrane. This design and technology allows the sensor to be made entirely of crystalline quartz and to obtain unique metrological characteristics. However, the described sensor has a significant drawback. The working range of the sensor is hundreds of atmospheres, and the sensors for small and medium pressure ranges made using this technology have insufficient sensitivity. To increase the sensitivity of the sensor, it is necessary to use a more sensitive - thin flat membrane.

Известен кристаллический сенсор с плоской мембраной, являющийся прототипом предлагаемого /Малов В.В., Москва, Энергоатомиздат, 1989 г., стр.162, 163). В прототипе мембрана и пластина резонатора выполнены отдельно, при этом они жестко соединены друг с другом так, что пластина своими гранями или отдельными областями граней жестко присоединена к одной из поверхностей мембраны. Деформация мембраны передается пластине резонатора, что приводит к изменению частоты резонатора. В вариантах исполнения используются несколько пластин-резонаторов, включенных по дифференциальной схеме, что снижает погрешности преобразователя.Known crystalline sensor with a flat membrane, which is the prototype of the proposed / Malov VV, Moscow, Energoatomizdat, 1989, pp. 162, 163). In the prototype, the membrane and the resonator plate are made separately, while they are rigidly connected to each other so that the plate is rigidly attached to one of the membrane surfaces by its faces or separate areas of faces. The deformation of the membrane is transmitted to the resonator plate, which leads to a change in the frequency of the resonator. In the embodiments, several resonator plates are used, included in a differential circuit, which reduces the errors of the converter.

Изготовление мембраны и пьезоэлемента содержит операции распиловки кристалла на заготовки, ориентацию заготовки относительно кристаллографических осей кварца, шлифовку, механическое или химическое, или иное фрезерование, полировку поверхностей пластины, нанесение на нее пленочных электродов для возбуждения колебаний. Кроме перечисленных операций используются также операции присоединения пластины резонатора к мембране с помощью различных материалов типа клея, легкоплавких металлов и стекла и т.д. Однако соединительный материал ухудшает точность сенсора вследствие того, что предел текучести соединительного материала во много раз ниже пределов текучести кристаллического материала, из которого изготовлены резонатор и мембрана. Вследствие появления процесса текучести в соединительном материале рабочая характеристика сенсора становится невоспроизводимой, обладающей гистерезисом, а сенсор имеет недостаточно высокую точность. Это является серьезным недостатком прототипа.The manufacture of the membrane and the piezoelectric element includes operations of cutting the crystal into blanks, orienting the blank relative to the crystallographic axes of quartz, grinding, mechanical or chemical, or other milling, polishing the surfaces of the plate, applying film electrodes to it to excite vibrations. In addition to the above operations, operations are also used to attach the resonator plate to the membrane using various materials such as glue, low-melting metals and glass, etc. However, the connecting material degrades the accuracy of the sensor due to the fact that the yield strength of the connecting material is many times lower than the yield strength of the crystalline material from which the resonator and membrane are made. Due to the occurrence of a yield process in the connecting material, the performance of the sensor becomes irreproducible, with hysteresis, and the sensor has insufficient accuracy. This is a serious disadvantage of the prototype.

Для решения проблемы в тех случаях, когда позволяет материал сенсора, используют технологию травления или эпитаксиального выращивания для изготовления сенсора целиком (и мембраны, и резонатора) из единого кристалла (Yuji, et al., Silicon resonant type pressure sensor. Pat USA 7013733, 2006). Однако это возможно только для тех материалов, которые имеют примерно одинаковую скорость травления во всех трех направлениях или позволяют использование технологии эпитаксиального выращивания, например кремния. В случае кристаллического кварца и ряда других пьезоэлектриков получение трехмерной детали с использованием таких технологий невозможно. Например, скорость химического травления вдоль оси Z кристаллического кварца на два порядка выше, чем в других направлениях. Это приводит к большому паразитному подтраву в поперечном направлении и невозможности получить резонатор необходимой геометрической формы. Выращивание же трехмерных резонирующих объемов из кристаллического кварца невозможно по причине возникновения большого количества дефектов в кристаллической структуре.To solve the problem in cases where the sensor material allows, etching or epitaxial growth technology is used to fabricate the entire sensor (both the membrane and the resonator) from a single crystal (Yuji, et al., Silicon resonant type pressure sensor. Pat USA 7013733, 2006 ) However, this is possible only for those materials that have approximately the same etching rate in all three directions or allow the use of epitaxial growth technology, for example, silicon. In the case of crystalline quartz and a number of other piezoelectrics, it is impossible to obtain a three-dimensional part using such technologies. For example, the rate of chemical etching along the Z axis of crystalline quartz is two orders of magnitude higher than in other directions. This leads to a large parasitic undercut in the transverse direction and the inability to obtain a resonator of the necessary geometric shape. The growth of three-dimensional resonant volumes from crystalline quartz is impossible due to the occurrence of a large number of defects in the crystal structure.

Задачей данного изобретения является повышение точности резонансного кристаллического сенсора малых и средних давлений.The objective of the invention is to improve the accuracy of the resonant crystalline sensor of small and medium pressures.

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

В сенсоре давления, усилия или перемещения, содержащем выполненные из кристаллического материала и жестко соединенные друг с другом плоскую мембрану и резонаторы упругих колебаний, на поверхности мембраны в областях с отличными от нуля механическими напряжениями, вызванными измеряемым параметром, заодно с ней сформированы одна или несколько консолей, имеющих форму пластины, в теле которых выполнены резонаторы. Причем консоли объединены с мембраной одной из боковых граней или областями одной из боковых граней, или областями одной из больших граней.In a pressure, force, or displacement sensor containing a flat membrane made of crystalline material and rigidly connected to each other and elastic resonators, on the surface of the membrane in areas with non-zero mechanical stresses caused by the measured parameter, one or more consoles are formed at the same time having a plate shape, in the body of which resonators are made. Moreover, the console is combined with the membrane of one of the side faces or areas of one of the side faces, or areas of one of the larger faces.

Консоли могут иметь форму пластин, а боковые грани резонаторов могут быть выполнены посредством сквозных отверстий в пластине.The consoles can be in the form of plates, and the side faces of the resonators can be made through holes in the plate.

В варианте исполнения ориентация граней консоли относительно кристаллографических осей материала сенсора выбрана с учетом анизотропии скорости химического или плазмохимического фрезерования в материале сенсора. Например, большие грани консоли перпендикулярны направлениям, в которых скорость фрезерования близка к максимальной. В случае, когда сенсор выполняется из кристаллического кварца, эти направления лежат в телесном угле, составляющем с оптической осью кварца (осью Z) 70-90°.In an embodiment, the orientation of the cantilever faces with respect to the crystallographic axes of the sensor material is selected taking into account the anisotropy of the rate of chemical or plasma chemical milling in the sensor material. For example, large edges of the console are perpendicular to directions in which the milling speed is close to maximum. In the case when the sensor is made of crystalline quartz, these directions lie in the solid angle, which constitutes 70-90 ° with the optical axis of quartz (Z axis).

В другом варианте исполнения консоли сформированы одной пластиной, соединенной с поверхностью мембраны в центральной области.In another embodiment, the cantilevers are formed by a single plate connected to the surface of the membrane in the central region.

По определению, данному в Большой Советской энциклопедии (http://infotrash.ru/index.php) консоль - это «конструкция (напр., балка или ферма), жестко закрепленная одним концом при свободном другом, или часть конструкции, выступающая за опору». В данном случае такая конструкция представляет собой пластину, жестко закрепленную одним концом или краем на поверхности мембраны.According to the definition given in the Great Soviet Encyclopedia (http://infotrash.ru/index.php), a console is “a structure (eg, a beam or a truss) rigidly fixed at one end with a free other, or a part of the structure that protrudes beyond the support ". In this case, this design is a plate rigidly fixed at one end or edge to the surface of the membrane.

Предлагаемое техническое решение позволяет сформировать мембрану и пластину с резонатором в единой заготовке посредством пропилов с заходом инструмента со свободного края консоли, т.е. предлагаемым и описанным ниже способом изготовления.The proposed technical solution allows the formation of a membrane and a plate with a resonator in a single workpiece by means of cuts with the tool entering from the free edge of the console, i.e. the proposed and described below manufacturing method.

Пластинообразная форма консоли позволяет выполнить в консоли резонаторы традиционной плоской формы с формированием колеблющихся частей резонатора посредством сквозных прорезей в пластине, как в случае со сдвоенным микрокамертонным тензочувствительным резонатором.The plate-like shape of the cantilever makes it possible to perform traditional flat-shaped resonators in the cantilever with the formation of oscillating parts of the resonator by means of through slots in the plate, as in the case of a double microamerton strain-sensitive resonator.

Ориентация граней консоли относительно кристаллографических осей материала сенсора с учетом анизотропии скорости химического или плазмохимического фрезерования в материале сенсора упрощает решение проблемы формирования трехмерных конструкций резонатора в материале с высокой анизотропией скорости фрезерования - большие грани можно формировать с использованием операций механической распиловки, а малые грани пластины консоли - с использованием операции фрезерования.The orientation of the cantilever faces relative to the crystallographic axes of the sensor material, taking into account the anisotropy of the chemical or plasma chemical milling speeds in the sensor material, simplifies the solution of the problem of forming three-dimensional resonator structures in a material with high milling speed anisotropy - large faces can be formed using mechanical sawing operations, and small faces of the console plate can be using the milling operation.

Исполнение нескольких консолей посредством одной пластины, соединенной с поверхностью мембраны в центральной области, позволяет получить более высокую идентичность характеристик резонаторов, реализованных в разных консолях одной пластины, что позволяет повысить точность сенсора при дифференциальном включении резонаторов. Дополнительные резонаторы в пластине консоли могут быть использованы и как дополнительный информационный канал для повышения точности измерения методами статистической обработки.The execution of several consoles by means of one plate connected to the surface of the membrane in the Central region, allows to obtain a higher identity of the characteristics of the resonators implemented in different consoles of the same plate, which allows to increase the accuracy of the sensor with differential inclusion of the resonators. Additional resonators in the console plate can also be used as an additional information channel for increasing the accuracy of measurements by statistical processing methods.

В способе изготовления резонансного сенсора давления, усилия или перемещения, в конструкцию которого входят выполненные из единого кристалла плоская мембрана и консоли на ее поверхности, содержащем операции формообразования кристаллических деталей в виде распиловки заготовки кристалла и фрезерования, например, механического и/или химического, и/или плазмохимического, и/или ультразвукового, по крайней мере, некоторые области обращенной к консолям поверхности мембраны и, по крайней мере, часть граней консолей формируют посредством параллельных и/или сходящихся под углом пропилов в заготовке, например проволочными или ленточными пилами, причем пропилы осуществляют с заходом инструмента со свободного конца консоли и производят до места соединения мембраны с консолью.In a method for manufacturing a resonant pressure, force, or displacement sensor, the structure of which includes a flat membrane made of a single crystal and a console on its surface, comprising the operations of forming crystalline parts in the form of sawing a crystal blank and milling, for example, mechanical and / or chemical, and / or plasmochemical and / or ultrasonic, at least some regions of the membrane surface facing the consoles and at least a part of the console faces are formed by means of pairs llelnyh and / or converging angle cuts in the workpiece, such as wire or band saws, and propylene was carried out with the setting tool from the free end of the console and to produce the junction of the membrane with the console.

Современные технологии распиловки кристаллов особенно с использованием многолезвийных ленточных и проволочных пил со свободным абразивом позволяют получить тонкие плоскопараллельные грани кристалла больших поперечных размеров с высокой чистотой поверхности. Именно такие свойства граней мембраны и пластины консоли с резонаторами необходимы для высокоточных сенсоров. При этом выбранное в предлагаемом техническом решении пространственное позиционирование пластины консоли и мембраны, а именно консольное соединение пластины с мембраной - позволяет изготовление их из одного кристалла посредством сходящихся пропилов. Пропилы, формирующие грани консоли и обращенную к консоли поверхность мембраны, осуществляются с заходом инструмента со стороны свободного конца консоли и сходятся в месте соединения консоли и мембраны.Modern crystal sawing technologies, especially using multi-blade band and wire saws with a free abrasive, make it possible to obtain thin plane-parallel crystal faces of large transverse dimensions with a high surface finish. It is these properties of the membrane faces and the console plate with resonators that are necessary for high-precision sensors. In this case, the spatial positioning of the console plate and the membrane selected in the proposed technical solution, namely the cantilever connection of the plate to the membrane, allows them to be made from one crystal by means of converging cuts. Saws forming the sides of the cantilever and the membrane surface facing the cantilever are performed with the tool approaching from the free end of the cantilever and converge at the junction of the cantilever and the membrane.

В варианте способа изготовления сенсора одни грани пластины консоли и одни области поверхности мембраны - крупноразмерные - формируют пропилами, а другие - образующие более тонкие и деликатные детали сенсора - фрезерованием, например химическим или плазмохимическим. При этом направление пропилов выбирают с учетом скорости фрезерования в том или ином направлении в заготовке, например, направляя пропилы вдоль направления с минимальной скоростью фрезерования. Этим достигается решение проблемы низкой скорости некоторых видов фрезерования (в частности, химического и плазмохимического) вдоль некоторых направлений в кристаллах путем осуществления пропилов вдоль направления с минимальной скоростью фрезерования. В этом варианте комбинирование пропилов с фрезерованием позволяет получить сенсор со сложной конфигурацией боковых граней резонатора, такой как, например, сдвоенный камертон, когда использование пропилов невозможно по причине малоразмерности и сложности формы выполняемых деталей.In an embodiment of the sensor manufacturing method, some faces of the cantilever plate and some areas of the membrane surface — large-sized — are formed by cuts, and others — forming more delicate and delicate parts of the sensor — by milling, for example, by chemical or plasma-chemical. In this case, the direction of the cuts is chosen taking into account the milling speed in one direction or another in the workpiece, for example, by guiding the cuts along the direction with the minimum milling speed. This solves the problem of the low speed of certain types of milling (in particular, chemical and plasmochemical) along certain directions in the crystals by cutting along the direction with a minimum milling speed. In this embodiment, the combination of cuts with milling allows you to get a sensor with a complex configuration of the side faces of the resonator, such as, for example, a double tuning fork, when the use of cuts is impossible due to the small size and complexity of the shape of the workpiece.

Одновременное выполнение пропилов, формирующих большие грани пластины консоли, с использованием многолезвийной резки позволяет получить высокую параллельность пластины, что является необходимым условием при изготовлении сенсора. При этом, чтобы получить требуемую толщину пластины, необходимо, чтобы шаг (или расстояние) между пропилами был равен сумме толщины пластины консоли и толщины пропила.The simultaneous execution of cuts forming large edges of the console plate using multi-blade cutting allows to obtain high parallelism of the plate, which is a prerequisite for the manufacture of the sensor. Moreover, in order to obtain the required plate thickness, it is necessary that the step (or distance) between the cuts is equal to the sum of the thickness of the console plate and the thickness of the cut.

Изобретение иллюстрируют Фиг.1, 2, 3, 4. На Фиг.1 схематично изображены: маршрутный технологический процесс изготовления сенсора манометра (Фиг.1, а - Фиг.1, ж) и конструкция такого сенсора (Фиг.1, ж) с плоскостью пластины, перпендикулярной плоскости мембраны. На Фиг.2 схематично изображены: маршрутный технологический процесс изготовления (Фиг.2, а - Фиг.2, е) и конструкция сенсора динамометра (или измерителя перемещения) с плоскостью пластины, параллельной плоскости мембраны (Фиг.2, е). На Фиг.3 изображен фрагмент маршрутного технологического процесса изготовления (Фиг.3, а - Фиг.3, в) сенсора динамометра конструкции (Фиг.2, е) с формированием сенсора путем комбинирования пропилов и химического фрезерования из кристаллического кварца. На Фиг.4 изображен фрагмент сенсора давления с мембраной и двумя резонаторами, выполненными в консоли. В силу симметрии конструкции на чертежах, как правило, используются две проекции изображения заготовки сенсора. В случае отсутствия симметрии относительно одной из осей используются три проекции (Фиг.2, г, д, е и Фиг.3, в).The invention is illustrated in FIGS. 1, 2, 3, 4. FIG. 1 schematically shows: a route process for manufacturing a pressure gauge sensor (FIG. 1, a - FIG. 1, g) and the design of such a sensor (FIG. 1, g) with the plane of the plate perpendicular to the plane of the membrane. Figure 2 schematically shows: route manufacturing process (Figure 2, a - Figure 2, e) and the design of the sensor of the dynamometer (or displacement meter) with the plane of the plate parallel to the plane of the membrane (Figure 2, e). Figure 3 shows a fragment of the route manufacturing process (Figure 3, a - Figure 3, c) of the dynamometer sensor design (Figure 2, e) with the formation of the sensor by combining cuts and chemical milling of crystalline quartz. Figure 4 shows a fragment of a pressure sensor with a membrane and two resonators made in the console. Due to the symmetry of the structure in the drawings, as a rule, two projections of the image of the sensor blank are used. In the absence of symmetry with respect to one of the axes, three projections are used (Figure 2, d, e, e and Figure 3, c).

На чертежах используются следующие обозначения: 1 - заготовка из кристаллического материала, 2 - углубление в заготовке, 3 - мембрана, 4 - консоль в форме пластины, 5 - резонатор, 6 - пленочные электроды, 7 - крышка, 8 - отверстие в крышке для подачи на мембрану измеряемого параметра Р, например давления, или усилия, или перемещения, 9-17 - пропилы в заготовке, 18 - сквозные отверстия, 19 - штуцер передачи измеряемого усилия, 20 - выступы на поверхности мембраны, 21 - поверхность заготовки, параллельная плоскости мембраны, 22 - плоскость мембраны, обращенная к консоли, 23 - дополнительный резонатор, 24 - центральная область пластины-консоли 4, 25 и 26 - свободные края консоли, X, Y, Z - направления кристаллографических осей кристаллического кварца, Х - ось симметрии 2-го порядка, Z - ось симметрии 3-го порядка - оптическая ось.The following notation is used in the drawings: 1 - a blank of crystalline material, 2 - a recess in the blank, 3 - a membrane, 4 - a console in the form of a plate, 5 - a resonator, 6 - film electrodes, 7 - a cover, 8 - a hole in the cover for feeding on the membrane of the measured parameter P, for example pressure, or force, or displacement, 9-17 - cuts in the workpiece, 18 - through holes, 19 - connection for measuring the measured force, 20 - protrusions on the membrane surface, 21 - workpiece surface parallel to the membrane plane , 22 - the plane of the membrane facing the cons oli, 23 — additional resonator, 24 — central region of the cantilever plate 4, 25 and 26 — free edges of the cantilever, X, Y, Z — directions of crystallographic axes of crystalline quartz, X — axis of symmetry of the second order, Z — axis of symmetry 3 th order is the optical axis.

В сенсоре, изображенном на Фиг.1,ж, в консоли 4 резонатор 5 толщинно-сдвиговых колебаний образован пленочными электродами 6, а в сенсорах, изображенных на Фиг.2, е, Фиг.3, в, Фиг.4, резонаторы изгибных колебаний (сдвоенные микрокамертоны) 5 и 23 образованы сквозными отверстиями 18 (электроды на микрокамертонах не показаны по причине сложности их конфигурации). Консоль 4 и мембрана 3 выполнены из единой заготовки 1, изготовленной, в свою очередь, из кристаллического (пьезокристаллического) кварца. Крышка 7 в конструкции сенсора манометра (Фиг.1, ж) необходима для формирования камеры, в которую через отверстие 8 поступает измеряемый параметр Р - давление. Штуцер 19 на Фиг.2, е служит для приема измеряемого усилия и передачи ее на мембрану 3, которая в этом случае служит для центрирования усилия или перемещения Р и герметизации внутреннего объема сенсора.In the sensor depicted in FIG. 1, g, in the console 4, the resonator 5 of shear thickness oscillations is formed by film electrodes 6, and in the sensors depicted in FIG. 2, e, FIG. 3, c, FIG. 4, bending vibration resonators (dual micro tuning forks) 5 and 23 are formed through holes 18 (electrodes on micro tuning forks are not shown due to the complexity of their configuration). The console 4 and the membrane 3 are made of a single preform 1, made, in turn, of crystalline (piezocrystalline) quartz. The cover 7 in the design of the pressure gauge sensor (Figure 1, g) is necessary for the formation of a chamber into which the measured parameter P - pressure enters through the hole 8. The fitting 19 in FIG. 2, e serves to receive the measured force and transfer it to the membrane 3, which in this case serves to center the force or move P and seal the internal volume of the sensor.

Консоль 4 в сенсоре, изображенном на Фиг.4, образована пластиной, закрепленной на мембране 3 в центральной области 24. В области свободных краев 25 и 26 выполнены резонаторы соответственно 5 и 23.The console 4 in the sensor shown in FIG. 4 is formed by a plate fixed on the membrane 3 in the central region 24. In the region of the free edges 25 and 26, resonators 5 and 23 are made.

Предлагаемые сенсор и способ его изготовления в одном из вариантов осуществляются следующим образом (Фиг.1).The proposed sensor and method of its manufacture in one embodiment are as follows (Figure 1).

Фиг.1, а - формирование заготовки с использованием традиционных технологических операций резки, ориентации, шлифовки. Фиг.1, б - формирование в заготовке 1 с помощью углубления 2, выполненного посредством, например, ультразвукового фрезерования, поверхности мембраны 3, контактирующей с измеряемым параметром Р.Figure 1, a - the formation of the workpiece using traditional technological operations of cutting, orientation, grinding. Figure 1, b - the formation in the workpiece 1 using the recess 2, made by, for example, ultrasonic milling, the surface of the membrane 3 in contact with the measured parameter R.

Фиг.1, в - формирование больших граней консоли 4 посредством параллельных пропилов 9.Figure 1, in - the formation of large faces of the console 4 by means of parallel cuts 9.

Фиг.1, г - формирование части обращенной к консоли поверхности мембраны 3 посредством пропилов 10, сходящихся под прямым углом с пропилами 9.Figure 1, g - the formation of part facing the console surface of the membrane 3 by means of cuts 10, converging at right angles with cuts 9.

Фиг.1, д - формирование боковых граней консоли 4 параллельными пропилами 11 и формирование остальных частей обращенной к консоли поверхности мембраны 3 посредством параллельных пропилов 12, сходящихся под прямым углом с пропилами 11.Figure 1, e - the formation of the side faces of the console 4 with parallel cuts 11 and the formation of the remaining parts of the membrane surface 3 facing the console by means of parallel cuts 12, converging at right angles to the cuts 11.

Фиг.1, е - формирование выступов 20 в консоли 4 и нанесение на консоль 4 электродов 6.Figure 1, e - the formation of the protrusions 20 in the console 4 and the application on the console 4 of the electrodes 6.

Фиг.1, ж - присоединение пластины 7 с отверстием 8 к мембране 3.Figure 1, g - attachment of the plate 7 with the hole 8 to the membrane 3.

Другой вариант сенсора и способа его изготовления осуществляются следующим образом (Фиг.2).Another version of the sensor and the method of its manufacture are as follows (Figure 2).

Фиг.2, а - технологические операции изготовления заготовки и формирования внешней поверхности мембраны аналогично Фиг.1, а и Фиг.1, б.Figure 2, a - technological operations of manufacturing the workpiece and the formation of the outer surface of the membrane similarly to Figure 1, a and Figure 1, b.

Фиг.2, б - формирование одной из боковых граней консоли и части выступа 20 пропилом или протравом 13.Figure 2, b - the formation of one of the side faces of the console and part of the protrusion 20 with a cut or pickle 13.

Фиг.2, в - формирование части обращенной к консоли поверхности мембраны, обращенной к мембране большой грани консоли и другой части выступа 20 пропилами 14 и 15.Figure 2, in - the formation of the part facing the console surface of the membrane facing the membrane of the large faces of the console and the other part of the protrusion 20 cuts 14 and 15.

Фиг.2, г - формирование двух боковых граней консоли пропилом или протравливанием 16.Figure 2, g - the formation of two side faces of the console by cutting or etching 16.

Фиг.2, д - формирование остальной части обращенной к консоли поверхности мембраны.Figure 2, d - the formation of the rest of the membrane surface facing the console.

Фиг.2, е - формирование резонатора (сдвоенного микрокамертона) посредством протравливания в пластине консоли 4 сквозных прямоугольных отверстий 18.Figure 2, e - the formation of the resonator (double micrometer) by etching in the plate of the console 4 through rectangular holes 18.

Еще один вариант сенсора и способа его изготовления - с помощью комбинирования операций осуществления пропилов и химического травления - иллюстрируется на Фиг.3 и заключается в следующем.Another embodiment of the sensor and its manufacturing method — by combining the operations of cutting and chemical etching — is illustrated in FIG. 3 and consists in the following.

Фиг.3, а - операции аналогичны Фиг.1, а, б и Фиг.2, а.Figure 3, a - operations are similar to Figure 1, a, b and Figure 2, a.

Фиг.3, б - формирование части обращенной к консоли поверхности мембраны, обращенной к мембране большой грани консоли и части выступа 20 пропилом 15.Figure 3, b - the formation of the part facing the console surface of the membrane facing the membrane of the large faces of the console and part of the protrusion 20 with a cut 15.

Фиг.3, в - формирование остальной части обращенной к консоли поверхности мембраны, боковых граней консоли и резонатора, части выступа 20 посредством химического травления плоскости 21 заготовки до поверхности 22 мембраны 3 (в том числе сквозных отверстий 18).Figure 3, c - the formation of the rest of the membrane surface facing the console, the side faces of the console and the resonator, part of the protrusion 20 by chemical etching of the workpiece plane 21 to the surface 22 of the membrane 3 (including through holes 18).

Сенсор работает следующим образом. Измеряемый параметр Р воздействует на мембрану 3 и вызывает в ней механические напряжения. Эти напряжения через места соединения мембраны с пластиной консоли передаются в консоли 4 (т.к. консоли расположены в областях с отличными от нуля механическими напряжениями) и резонатору 5 (резонаторам 5 и 23). Резонансная частота резонатора изменяется. Это изменение фиксируется электронной схемой (не показана), подключенной к резонатору посредством электродов 6. Консоль 4 резонатора 5 выполнена заодно с мембраной 3, поэтому передача деформации мембраны резонатору происходит без потерь в точности.The sensor works as follows. The measured parameter P acts on the membrane 3 and causes mechanical stresses in it. These voltages are transmitted through the junction of the membrane with the console plate to the console 4 (since the consoles are located in areas with non-zero mechanical stresses) and to the resonator 5 (resonators 5 and 23). The resonant frequency of the resonator changes. This change is recorded by an electronic circuit (not shown) connected to the resonator by means of electrodes 6. The console 4 of the resonator 5 is made integral with the membrane 3, therefore, the deformation of the membrane is transmitted to the resonator without loss of accuracy.

Предложенное техническое решение позволяет реализовать сенсор малых механических параметров (давлений, усилий, ускорений и т.д.) с безгистерезисной рабочей характеристикой, т.к. он не содержит в своей конструкции некристаллических материалов, испытывающих механические напряжения за пределами упругости. Такая конструкция и способ изготовления сообщают сенсору более высокие точностные параметры.The proposed technical solution makes it possible to implement a sensor of small mechanical parameters (pressures, forces, accelerations, etc.) with a hysteresis-free operating characteristic, because it does not contain non-crystalline materials in its design that experience mechanical stresses outside the elastic range. This design and manufacturing method gives the sensor higher accuracy parameters.

Claims (8)

1. Резонансный сенсор давления, усилия или перемещения, содержащий выполненные из кристаллического материала мембрану и резонаторы упругих колебаний, отличающийся тем, что на поверхности мембраны в областях с отличными от нуля механическими напряжениями, вызванными измеряемым параметром, формируют выполненную заедино с мембраной консоль, в теле которой выполняют резонаторы, причем консоль имеет форму пластины и объединена с мембраной одной из боковых граней, или областями одной из боковых граней, или областями одной из больших граней.1. A resonant pressure, force, or displacement sensor containing a membrane made of crystalline material and resonators of elastic vibrations, characterized in that on the surface of the membrane in areas with non-zero mechanical stresses caused by the measured parameter, a cantilever is formed integrally with the membrane in the body which perform resonators, and the console is in the form of a plate and combined with the membrane of one of the side faces, or areas of one of the side faces, or areas of one of the larger faces. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковые грани резонаторов выполнены посредством сквозных отверстий в пластине.2. The device according to claim 1, characterized in that the side faces of the resonators are made through through holes in the plate. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ориентация граней консоли относительно кристаллографических осей материала сенсора выбрана с учетом анизотропии скорости химического или плазмохимического фрезерования в материале сенсора, например, большие грани консоли сенсора, выполненного из кристаллического кварца, составляют с оптической осью кварца угол от 70 до 90°.3. The device according to claim 1, characterized in that the orientation of the console faces relative to the crystallographic axes of the sensor material is selected taking into account the anisotropy of the chemical or plasma chemical milling speeds in the sensor material, for example, large faces of the sensor console made of crystalline quartz make up with the optical axis of quartz angle from 70 to 90 °. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что консоль сформирована пластиной, соединенной с поверхностью мембраны в центральной области.4. The device according to claim 1, characterized in that the cantilever is formed by a plate connected to the surface of the membrane in the central region. 5. Способ изготовления резонансного сенсора давления, усилия или перемещения, в конструкцию которого входят выполненные из единого кристалла мембрана и консоль на ее поверхности, в теле которой выполнены резонаторы, содержащий операции формообразования кристаллических деталей в виде распиловки заготовки кристалла и фрезерования, например, алмазного, и/или ультразвукового, и/или химического, и/или плазмохимического, отличающийся тем, что, по крайней мере, некоторые области обращенной к консоли поверхности мембраны и, по крайней мере, часть граней консолей формируют посредством пропилов в заготовке, например, проволочными или ленточными пилами, причем пропилы производят заходом инструмента со свободного конца консоли до места соединения мембраны с консолью.5. A method of manufacturing a resonant pressure, force, or displacement sensor, the structure of which includes a membrane made of a single crystal and a cantilever on its surface, in the body of which there are resonators containing the operations of shaping crystalline parts in the form of sawing a crystal billet and milling, for example, diamond, and / or ultrasound, and / or chemical, and / or plasmachemical, characterized in that at least some areas of the membrane surface facing the console and at least an hour s consoles edges formed by cuts in the workpiece, such as wire or band saws, wherein the saw cuts produce calling instrument from the free end of the console to the place of the membrane with a console connection. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что одни грани консолей и одни области поверхности мембраны формируют пропилами, а другие - фрезерованием, например, химическим или ультразвуковым.6. The method according to claim 5, characterized in that some faces of the consoles and one area of the membrane surface are formed by cuts, and others by milling, for example, chemical or ultrasonic. 7. Способ по п.5, отличающийся тем, что ориентацию и направление пропилов выбирают с учетом скорости фрезерования в том или ином направлении в заготовке, например, направляя пропилы вдоль направления с минимальной скоростью фрезерования.7. The method according to claim 5, characterized in that the orientation and direction of the cuts are selected taking into account the milling speed in one direction or another in the workpiece, for example, by guiding the cuts along the direction with a minimum milling speed. 8. Способ по п.5, отличающийся тем, что большие грани консоли формируются с использованием многолезвийной резки путем одновременного выполнения, по крайней мере, двух пропилов с шагом, равным сумме толщины консоли и толщины пропила. 8. The method according to claim 5, characterized in that the large edges of the console are formed using multi-blade cutting by simultaneously performing at least two cuts with a step equal to the sum of the thickness of the console and the thickness of the cut.
RU2008130663/28A 2008-07-25 2008-07-25 Resonant sensor of pressure, force or motion and method of its manufacturing RU2379638C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008130663/28A RU2379638C1 (en) 2008-07-25 2008-07-25 Resonant sensor of pressure, force or motion and method of its manufacturing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008130663/28A RU2379638C1 (en) 2008-07-25 2008-07-25 Resonant sensor of pressure, force or motion and method of its manufacturing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2379638C1 true RU2379638C1 (en) 2010-01-20

Family

ID=42120909

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008130663/28A RU2379638C1 (en) 2008-07-25 2008-07-25 Resonant sensor of pressure, force or motion and method of its manufacturing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2379638C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2573708C1 (en) * 2014-07-22 2016-01-27 Общество с ограниченной ответственностью "РАМИТ" (ООО "РАМИТ") Amplitude fibre-optic pressure sensor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU355519A1 (en) * А. И. Жучков, Э. М. Зайцев , А. А. Шошин PRESSURE METER
US3792351A (en) * 1972-03-10 1974-02-12 F Ireland Absorption frequency meter having shielded inductor
RU2046331C1 (en) * 1992-02-06 1995-10-20 Филиппов Юрий Петрович Method for graduating dielcometric meter measuring diphasic flow continuity

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU355519A1 (en) * А. И. Жучков, Э. М. Зайцев , А. А. Шошин PRESSURE METER
US3792351A (en) * 1972-03-10 1974-02-12 F Ireland Absorption frequency meter having shielded inductor
RU2046331C1 (en) * 1992-02-06 1995-10-20 Филиппов Юрий Петрович Method for graduating dielcometric meter measuring diphasic flow continuity

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
МАЛОВ В.В. Пьезорезонансные датчики. Энергоатомиздат. - М.: 1989. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2573708C1 (en) * 2014-07-22 2016-01-27 Общество с ограниченной ответственностью "РАМИТ" (ООО "РАМИТ") Amplitude fibre-optic pressure sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9038263B2 (en) Thickness shear mode resonator sensors and methods of forming a plurality of resonator sensors
US7954215B2 (en) Method for manufacturing acceleration sensing unit
JP5375624B2 (en) Acceleration sensor and acceleration detection device
CN109883581B (en) A cantilever beam differential resonance pressure sensor chip
JPH047459B2 (en)
US8850896B2 (en) Physical quantity detector
US20110100125A1 (en) Acceleration sensor
US8869615B2 (en) Element vibrating in two uncoupled modes, and use in vibrating rate gyroscope
JPH0362208B2 (en)
EP4276410B1 (en) Vibrating beam accelerometer
RU2379638C1 (en) Resonant sensor of pressure, force or motion and method of its manufacturing
CN101326444A (en) Micromachined Accelerometer
US10732195B2 (en) Vibrating beam accelerometer
EP4276409B1 (en) Selective laser etching quartz resonators
CN111238676B (en) High-strength quick-response quartz temperature sensor adopting modified three-fork-arm tuning fork
JP2010187059A (en) Walk type vibration piece and method of manufacturing the same
JPH11304494A (en) Vibration gyro and method of its use
JP5135253B2 (en) Inertial sensor and inertial measuring device
Yu et al. A resonant high-pressure sensor based on six cavities
JPH1038578A (en) Angular speed sensor
US12498222B2 (en) High-quality-factor flexural-vibration resonator for producing time references force sensors or gyrometers
JP2024510190A (en) High quality modulus flexural vibration resonator for manufacturing time references, force sensors or gyrometers
RU108140U1 (en) Piezoresonance Pressure Sensor
CN117054686A (en) Vibrating beam accelerometer
CN117054683A (en) Selective laser etched quartz resonators

Legal Events

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

Effective date: 20110726