Главная Промышленная автоматика.

практически любой разнос частот в сторону повышения частот точечных резонаторов по отношению к частоте кварцевой пластины.

Применение полнчастотных резонаторов даст возможность получить высокие характеристики КГ, обеспечивающие современные требования к аппаратуре народнохозяйственной связи при сравнительно малой стоимости ее возбудителей и гетеродинов.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

12.1. Кварцевые темлературно-чуветаительные м маееочуветвнтельные резонаторы

Температурио-чувствительный резонатор отличается от резонаторов, рассмотренных ранее, тем, что, в отличие от них, ориентация (срез) пьезоэлемента выбирается такой, при которой зависимость частоты от температуры получается максимальной. Часто стремятся получить ТЧХ близкой к линейной, при этом температурная чувствительность может быть несколько меньше. Чувствительность по температуре (термочувствительность)

Sj- = df/дТ = а/.

Наибольшую чувствительность по температуре имеют резона торы у-среза с колебаниями сдвига по толщине, у которых ТКЧ а/= 92 - 96-10-»/° С. Недостатком таких резонаторов является большая нелинейность ТЧХ, что требует индивидуальной градуировки каждого измерительного генератора.

Существенно повысить линейность ТЧХ можно, используя резонаторы LC среза {ухЫ/+ 11°95879°2334) [82]. Температурная чувствительность таких кварцевых датчиков около 34-IQ °/° С. Недостатком LC среза является необходимость очень точной ориентации, превышающей 20-30; указанное условие именно для этого среза практически невыполнимо. Более простым в производстве является срез 1/аЛ 10°5356/9°445Г. Кварцевые датчики температуры с пьезоэлемеитамн указанного среза имеют температурную чувствительность (34-37)-10-»/° С, малую неидептичиость ТЧХ (около 0,3%) и малую нелинейность: примерно 0,07% в интервале температур 0-100° С и 0.27% в интервале температур от - 60 до + 120° С.

По конструкции кварцевые датчики температуры не отличаются от обычных кварцевых резонаторов. Выпускаются кварцевые датчики температур иа частоту 5 МГц [98, 82] для измерения в диапазоне температур от - 60 до + 120°С: малоинерционный кварцевый в корпусе типа М, работающий иа основной частоте, и высокодобротный в вакуумироваином стеклянном баллоне типа С, работающий иа колебаниях третьего порядка.

Герметизированные кварцевые датчики температуры имеют ау= 37-10-», а вакуумные датчики «у =34-10-». Благодари большей стабильности вакуумные датчики позволяют получить порог чувствительности примерно 5-10-»° С. Нелинейность температурных характеристик 0,07 С в интервале температур 0-100 С

и 0,27% в интервале температур от - 60 до + 120° С. Повысить точность измерения можно, используя градуировочные графики Из анализа основных параметров [98, 82] видны высокие характеристики кварцевых датчиков температуры (табл. 12.1): по диапазону измеряемых температур, погрешности и чувствительности измерений. Кварцев ые датчики температуры весьма устойчивы к механическим Воздействиями выдерживают вибрационные нагрузки в диапазоне частот 5-2500 Гц с ускорением до 15 и одиночные удары с ускорением до 1000 g.

Таблица 12.1. Параметры кварцевых датчиков

Показатель

Датчик

малоинсрциониый

высокодобротный

Порог чувствительности, °С

10-<

5-10-6

Погрешность градуировки, °С

Старение, °С:

2-10-2

2-10-2

за 1 год

0,05-0,2

1-10--1-10-2

за 12 лет

0,1-0,5

2-10--2-10-2

Гистерезис в диапазоне 100°, °С

(1-3)-10-2

МО--J-10-*

Коэффициент пьезоэлемента, °С/мВт:

в воде

0,14

0,105

в воздухе

0,17

0,12

Постояннан времени тепло-

вой инерции:

в воде

в воздухе

Динамическое сопротивле-

ние. Ом

Добротность, 10°

0,1-0,2

Термочувствнтельность,

Гц/°С

Кварцевые датчики температуры могут работать при высоком вакууме и в условиях повышенного давления. Они легко позволяют производить дистанционные измерения температуры иа больших расстояниях.

Кварцевые датчики используются пе только для измерения температуры, ио и Таких различных физических величин, как скорости глубоководных течений, содержание газа в воздухе, степень ваку-у.ма, тока, напряжения н мощности в широком диапазоне частот и прн произвольной форме сигнала. Для этой цели прнменя.ются подогревные кварцевые датчики температуры, в которых частота зависит не только от температуры резонатора, ио н от мощности нагревателя и условий отвода тепла от резонатора.

В качестве нагревателя могут быть использованы электроды специальной формы или дополнительные пленки, иаиесенпые иа пьезоэлемент, гальванически не свясаииыес электродами пьезоэлемента. Последний вариант более предпочтителе)!, так как упрощает но-



строение схемы вследствие разделения электродов н пленки нагревателя. Подогревные электроды необходимо наносить в специальных местах пьезоэлементов, чтобы температурные градиенты, возникающие в кварцевой пластине, не приводили к искажению ТЧХ датчика [128]. Принцип действия подогревного датчика заключается в том, что его температура, а следовательно, и частота изменяются прн изменении мощности нагревателя прн постоянных условиях теплоотдачи резонатора илн прн изменении условий теплоотдачи датчика температуры при постоянной мощности нагревательной пленки. Подогревные кварцевые резонаторы (ПКР) позволяют легко измерять давление газов. Структурная схема измерений показана на рнс. 12.1, а.

Рис. 12.1. Структурная схема измерения давления: о - с подачей иа подогревной кварцевый резонатор постоянной мощности; б - при изотермическом режиме резонатора

При изменении давления изменяются условия теплоотдачи датчика температуры и изменяется температура (частота) его при подаче на нагреватель постоянной мощности. По измеренной частоте судят о давлении газов.

Для повышения точности и быстродействия измерения, целесообразно применять изотермический режим, т. е. поддерживать при изменении давления постоянную частоту (температуру) соответствующим изменением мощности (напряження) нагревателя. По измеренной мощности (напряжению) нагревателя судят о давлении газа. Структурная схема показана на рнс. 12.1, б. Чувствительность измерения давления достигает единиц миЛлипаскалей (около 10~5 мм рт. ст.), причем эта чувствительность не является предельной и может быть увеличена повышением мощности подогрева и стабильности генератора.

С помощью подогревных кварцевых датчиков температур измеряют и электрические величины. Под действием тока происходит нагревание датчиков и, следовательно, изменение температуры и частоты, по которым и судят об измеряемых величинах с большой точностью. Например, мощность измеряют с погрешностью 0,02- 0,05% [98, 97].

Массочувствительные резонаторы являются преобразователями массь/, присоединяемой к поверхности пьезоэлемента нли его электроду, в изменение частоты резонатора. Их характеризуют высокая чувствительность, быстродействие, малые масса и габариты.

Частота резонатора / = \/pjEl2h = NIh, Где А - резонансный размер для сдвиговых колебаний по толщине-толщина пластины; р„ - плотность кварца (2,65 г/см*); Е - модуль; N - частотная постоянная, определяемая в первом приближении срезом пьезоэлемента.

При увеличеннн толщины на ЛА (ЛА < Л) частота изменится иа Л/, причем

А / = - АЛ/Л = - ДЛр„5п/Лр„5п = - ЛМ/М = - AhfiN =

= - AMf/Np„Su.

где S„ - площадь пластины; М = ApS AAf = ДЛрд5к - изменение массы. Таким образом.

масса пьезоэлемента;

Д/= .

Л/р„5„

f = -Сд,ДЛ1,

(12.1)

где Сд, = df/dAM = f/yVp„S„ - чувствительность по массе.

Это соотношение справедливо и для случаев, когда плотность материала пленки не равна плотности кварца.

1рн изменении толщины присоединенного покрытия ДЛц изменение массы ДМ = ДЛпРпп. При равенстве Sn = S„ из выражения (12.1) можно получить

f Ap C,Ahn. (12.2)

где Cft = РрЛРк) - чувствительность по толщине.

Из (12.1) и (12.2) видно, что чувствительности по толщине и массе повышаются по мере повышения частоты и поэтому целесообразно применять высокочастотные массочувствительные резонаторы. Как видно нз (12.2), чувствительность по массе не зависит от материала пленки и составляет для частот 5,10 и 20 МГц 56,4; 226 и 904 Гц/мкг соответственно.

Значения чувствительности по толщине для различных материалов приведены в табл. 12.2.

Таблица 12.2. Чувствительность по толщине пленки Сд для пьезоэлементов. AT срезов

Металл

Плотность, г/см

Чувствительность по толщине. Гц/мкм, для частот /к. МГц

.0 1

Алюминий

Золото

19,3

1740

Медь

3,96

Молибден

10,2

Никель

Серебро

10,5

Хром



с помощью массочувствительных датчиков можно измерять приращения массы в пределах 10"» -Ю-* г и изменения толщины 10-»-10~11 мм; эта разрешающая способность на три порядка выше разрешающей способности других способов измерений. Оптимальными пьезоэлемеитамн являются пьезоэлементы со сдвиговыми колебаниями по толщине, при этом практически для массоч-астотных характеристик нелинейность 11-21%. Для повышения линейности целесообразно увеличивать площадь покрытия и несколько увеличивать начальные электроды [98].

Следует отметить малые предельные значения измеряемых величин с помощью массочувствительных датчиков: по толщине пленок - пе более 1-2 мкм; по присоединяемым массам - не более 2 мг/см

1-1 iZ Л-1

1-\Пз1

Рис. 12.2. Структурная схема измерения толщины пленок

Наиболее широко датчики применяются для измерения толщины полупроводниковых, Проводящих и диэлектрических пленок при их ианесении в производстве гибриднопленочных и интегральных микросхем.

Рассмотрим подробнее применение датчиков для измерения толщины пленок в процессе их вакуумного напыления (рис. 12.2).

Датчик (обычно с пьезоэлемеитом AT среза) устанавливается в специальную кассету с отверстием (центр отверстия совмещен с центром пьезоэлемента), через которое испаряемое вещество осаждается на электрод пьезоэлемента датчика. Кассета помещается в вакуумной напылительной установке рядом с подложками, иа которые наносится пленка с тем, чтобы на пьезоэлемент датчика и на подложки осаждалась пленка одинаковой толи1Ины. Датчик включается в генератор ИГ, который, как правило, располагается вне объема камеры. Для повышения точности измерения вблизи датчика целесообразно располагать кварцевый резонатор опорного генератора ОГ.

Еще больше повысить температурную стабильность можно, если пьезоэлемент датчика и пьезоэлемент резонатора опорного генератора располагать иа одной кварцевой пластине.

Разностная частота измеряется частотомером. Для автоматического отключения процесса напыления пленок служит реле Р1, которое под действием напряжения, пропорционального изменению частоты, отключает в нужный момент нагреватель испарителя. При

необходимости ограничения скорости напыления пленок напряжение Un дифференцируется цепями ДС и сличается с заданным сигналом, пропорциональным максимально допустимой скорости роста t/o. При dUjdt > t/o сигнал разбаланса по скорости, усиленный усилителем УС1 (обычно используются тиристорные усилители), уменьшает ток нагревателя, что приводит к уменьшению его температуры, а следовательно, и уменьшению количества напыляемого вещества.

В таких генераторах нужно после каждого напыления производить калибровку. Это можно устранить применением сдвоенных массочувствительных резонаторов, размещаемых в зоне напыления пленки [98]. Заслонка закрывает один из резонаторов, который в данное время выполняет роль эталонного резонатора. В процессе напыления пленки в определенный момент времени заслонка открывает один резонатор и закрывает тот резонатор, который ранее выполнял роль эталонного. При такой работе при повторном напылении калибровку производить не нужно.

Кварцевые маееочуветвнтельные датчики могут быть использованы в качестве преобразователей влажности в частоту и применяться для измерения влажности. Для этого иа пьезоэлементах датчиков наносится специальное сорбирующее влагочувствительиое покрытие. При изменении влажности изменяется масса воды, сорбированной влагочувствительиым покрытием пьезоэлемента датчика, и вс;1едствие этого изменяется частота датчика. Как правило, в качестве пьезоэлемеитов датчиков используются высокочастотные кварцевые пластины AT среза с тонкопленочиым сорбциоиным покрытием. В качестве сорбента в большинстве случаев дли измерения влаги применяются кремнезем, сульфированный полистирол, раствор капрона в муравьиной кислоте, обеспечивающие высокую чувствительность, малое старение и практически отсутствие гистерезиса.

Измерители влажности с кварцевыми массочувствительными датчиками строятся, как правило, по дифференциальной схеме с двумя пьезоэлемеитамн; один используется в массочувствнтельном датчике с сорбированным покрытием, а другой, без сорбированного покрытия, - в кварцевом резонаторе опорного генератора.

Порог чувствительности таких приборов составляет сотые доли процента, а погрешность измерения - несколько процентов.

С помощью массочувствительных датчиков можно построить газоанализаторы. Датчики отличаются от датчиков для измерения влаги только составом сорбирующей пленки: например, для анализа сероводорода в качестве сорбента нужно применять ацетат свинца, серебро, медь - антрахинон - дисульфокислоту, для паров спирта - ацетат целлюлозы.

12.2. Кварцевые силочувствительные резонаторы

Силочувствительные резонаторы (датчики) являются преобразователями механических воздействий, приложенных к резонаторам в изменение их частоты. Преобразование механических воздействий в изменение частоты резонаторов основано на влиянии на частоту резонатора нзмеиеиия размеров и механических напряжений в пьезоэлементах. Влияние на частоту механических усилий рассматривалось в разд. 9 с точки зрения нахождения таких точек крепления пьезоэлемента, в которых механическое воздействие не оказывало влияния на частоту. В данном случае влияние механических воздействий является полезным явлением.





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [29] 30 31 32 33 34 35 36 37 38

0.0035