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 PDFInfo
- 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
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 10
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 70
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 17
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims abstract 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 12
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 19
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 208000029152 Small face Diseases 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 235000021110 pickles Nutrition 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
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
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
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
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
Фиг.1, в - формирование больших граней консоли 4 посредством параллельных пропилов 9.Figure 1, in - the formation of large faces of the
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
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
Фиг.1, е - формирование выступов 20 в консоли 4 и нанесение на консоль 4 электродов 6.Figure 1, e - the formation of the
Фиг.1, ж - присоединение пластины 7 с отверстием 8 к мембране 3.Figure 1, g - attachment of the
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
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
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
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
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
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
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
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)
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)
| 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)
| 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 |
-
2008
- 2008-07-25 RU RU2008130663/28A patent/RU2379638C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| 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)
| Title |
|---|
| МАЛОВ В.В. Пьезорезонансные датчики. Энергоатомиздат. - М.: 1989. * |
Cited By (1)
| 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 |