Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы и их применение в датчиках

Пьезоэлектрический резонатор представляет собой электромеханическую систему, в которой используется явление прямого и обратного пьезоэффекта, которая обычно выполнена в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала, пропорционально их амплитуде. В виду целого ряда свойств одним из самых распространенных пьезоэлектриков, применяемых в пьезоэлектрических резонаторах, является пьезокварц. Кварцевые резонаторы имеют высокую добротность 10⁷ и более, кратковременную и долговременную стабильность 10^-4 до 10^-7 , практически отсутствует гистерезис при механических, температурных и электрических воздействиях.

В виду бурного развития радиоэлектронной промышленности в последние десятилетия кварцевые резонаторы нашли широкое применение в генераторах стабильной частоты.

 Опорные кварцевые резонаторы на стандартные частоты от 32 кГц до 12 МГц выпускаются несколькими предприятиями, в том числе и ООО "СКТБ ЭлПА" (г. Углич), но в последнее время спросом стали пользоваться миниатюрные опорные резонаторы. ООО "СКТБ ЭлПА" освоено производство миниатюрных:

• камертонных кварцевых резонаторов на частоты от 32 до 320 кГц в корпусах Ø1,5х5 и Ø2х6 мм.;
• полосковых резонаторов на частоты от 3,5 до 12 МГц в корпусе Ø3х10, с характеристиками не уступающим зарубежным аналогам см. рис. 1.

Рис. 1

 Миниатюрные кварцевые резонаторы изготавливаются не только механической обработкой, но и групповым методом фотолитографии, который позволяет получить кварцевые детали сложной формы, включая мезаструктуры с воспроизводимостью размеров до 1 мкм.
 СКТБ разработаны и изготовлены опытные образцы микроминиатюрного опорного резонатора для поверхностного монтажа на частоту 256 кГц, в кварцевом корпусе 3,3(4,3)х1,7х0,65(0,4) мм. Есть возможность изготавливать такие резонаторы на диапазон частот от 32 до 256 кГц.
 Развитие современной цифровой электроники сделало более доступным применение датчиков с частотным или кодовым выходом для создания измерительных систем управления технологическими процессами, контроля параметров окружающей среды, создания образцовых средств измерений. На основе кварцевых резонаторов различных срезов СКТБ выпускаются прецизионные резонаторы-датчики температуры, давления, усилия, ускорения.
Чувствительным элементом датчика температуры является камертонный кварцевый резонатор термочувствительного среза, который помещен в корпус размером Ø2х6 мм. Данная конструкция имеет малые габаритные размеры и малую постоянную времени тепловой инерции (до 5 секунд). Также есть варианты датчиков температуры в том же корпусе, но с еще меньшей постоянной времени, что достигается заполнением внутри-корпусного пространства инертными газами. Характеристики термочувствительных резонаторов приведены в таблице 1. 

Градуировочная  характеристика   резонаторов  описывается  полиномом  второй   или третьей степени (погрешность аппроксимации в среднем – сотые доли градуса).

 f_T = f₀ + A₁(T_T -T₀)+ A₂(T_T -T₀)²

 Особенностью конструкции высокотемпературных кварцевых резонаторов РКТВ является применение в заделке высокотемпературного припоя и легкоплавкого стекла, что обеспечивает высокую предельную температуру и стабильность. В настоящее время ведется разработка высокотемпературных термочувствительных резонаторов с верхним пределом температуры выше +500 °С, на основе галлосиликата лантана.

 ООО "СКТБ ЭлПА" выпускаются прецизионные манометрические кварцевые резонаторы абсолютного и избыточного давления РКМА-Р и БРКМ-Р, в которых применяются кварцевые силочувствительные резонаторы, представляющие из себя сдвоенный камертон ПС 27-40, полученный методом фотолитографии.

 Особенностью конструкции является то, что силочувствительный резонатор крепится легкоплавким стеклом на кварцевую мембрану того же среза, что обеспечивает высокую прочность в широком диапазоне измеряемых давлений, малый воспроизводимый уход частоты в рабочем температурном диапазоне, малый гистерезис барочастотной характеристики (БЧХ), малый уход ноля, высокую разрешающую способность.

 Основные технические характеристики РКМА и БРКМ представлены в таблице 2.

Градуировочная  характеристика   резонаторов   описывается   полиномом  второй   или третьей степени (погрешность аппроксимации не более 0.05% и 0.02% соответственно).

f(р) = A₀^' + A₁^' P + A₂ P²

 Для компенсации температурной погрешности температурно-частотная характеристика описывается так же полиномом второй или третьей степени (см. пример рис. 2).

f_p(t) = f₀ + A₁(T_T -T₀ )+ A₂(T_T -T₀ )²

 Манометрические резонаторы выпускаются с верхним пределом измерений абсолютного давления в соответствии с рядом: 0,1; 0,2; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 16,0; 25,0; 100,0 МПа. Допускается кратковременная перегрузка давлением в 130% от верхнего предела измерения, в настоящее время ведутся испытания новых конструкций РКМА, позволяющих выдержать кратковременную перегрузку в несколько сотен %. 

 Габаритные размеры стандартного РКМА 25х23х(3 .. 8) мм., но есть малогабаритное исполнение РКМА в корпусе 12х11х1, который имеет меньшую чувствительность и чуть большее динамическое сопротивление. Манометрические кварцевые резонаторы имеют несколько исполнений: дополнительная крышка, для температурной развязки; дополнительная крышка со штуцером, делает возможным подачу измеряемого давления через штуцер (до 0,2МПа) или подачу атмосферного давления при измерении избыточных давлений.

 Благодаря своим высоким метрологическим характеристикам по сравнению с датчиками давления на полупроводниковых чувствительных элементах и относительно небольшой цене, манометрические кварцевые резонаторы находят применение в высокоточных приборах. На основе кварцевых манометрических резонаторов РКМА-Р и температурных резонаторов РКТ206 и РКТВ206 нашими партнерами выпускаются преобразователи давления с компенсированной температурной погрешностью класса точности 0,1%; 0,06% и 0,03%. Мы так же разрабатываем и выпускаем ряд преобразователей температуры, давления и температуры, планируется выпуск преобразователя влажности и температуры. 

 Манометрические резонаторы могут найти широкое применение в цифровых приборах измеряющих: давление; скорость; расход; массу; уровень и др.

 Нельзя обойти вниманием высокочастотный силочувствительный элемент ЭПКВ-10М, который нашел массовое применение в силочувствительных балках весов. Достоинствами этого элемента является его высокая стабильность, чувствительность 3,5 Гц/г, низкое сопротивление <30 Ом на воздухе, низкая цена.

  Потребность в датчиках с частотным выходом постоянно растет, этому способствует постоянно расширяющиеся области их применения, высокие метрологические характеристики, рентабельность их серийного производства. Используя многолетний опыт производства кварцевых резонаторов и датчиков на их основе, предприятие ООО "СКТБ ЭлПА" постоянно совершенствует имеющиеся резонаторы и датчики, а так же разрабатывает новые конструкции.

Авторы: Поляков А.В., Заднепрянный И.Е., Поляков В.Б.