SU1264013A1

SU1264013A1 - Temperature-sensitive element

Info

Publication number: SU1264013A1
Application number: SU843803496A
Authority: SU
Inventors: Владимир Михайлович Колешко; Юрий Васильевич Мешков
Original assignee: Институт электроники АН БССР
Priority date: 1984-10-22
Filing date: 1984-10-22
Publication date: 1986-10-15

Abstract

Изобретение относитс к измер тельной технике, а имеиио к устррй ствам контрол температуры с преобразовател ми поверхностных акустических воли (ПАВ). Дл повышени быстродействи и точности измерени температуры по виешнему контуру звукопро-. вода 1 выполнены Г-образные выступы 3, жестко соедин ющие его с крьшкой 5 корпуса. Разв зка зоны соединени от области звукопровода, где размещена ПАВ-структура 2, позвол ет исключить дрейф выходиой частоты датчика. Вакуумирование объема 6 датчика разко замедл ет процесс старени ПАВ-структуры 2. 7 ил.The invention relates to a measuring technique, and to a device for temperature control with transducers of surface acoustic will (surfactant). To increase the speed and accuracy of temperature measurement in the current circuit, the sound- Water 1 is made with l-shaped projections 3, rigidly connecting it with the housing cover 5. Unleashing the junction zone from the area of the sound duct where SAW structure 2 is located makes it possible to eliminate the drift of the output frequency of the sensor. Evacuating the sensor volume 6 will slow down the aging process of the surfactant structure 2. 7 Il.

Description

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к устройствам контрол температуры с преобразовател ми поверхностных акустических волн ПАВ), и может быть использовано , в часности, в бортовой аппаратуре транспортных средствs например автомобилей.The invention relates to a measurement technique, namely, temperature control devices with transducers of surface acoustic waves (SAW), and can be used, in particular, in onboard equipment of vehicles such as automobiles.

Цель изобретени - повышение быстродействи и точности измерени температуры.The purpose of the invention is to increase the speed and accuracy of temperature measurement.

На фиг.1 показан датчик температуры; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1г на фиг.3-7 - варианты предлагаемого датчика температуры, разрез.Figure 1 shows the temperature sensor; figure 2 - section aa on fig.1g figure 3-7 - variants of the proposed temperature sensor, the section.

Датчик температуры (фиг.1) содержит звукопровод 1, ни поверхности которого размещена структура на ПАВ 2 (лини задержки на ПАВ или ПАВ-ре зонатор). По внешнему контуру звукепровода 1 непосредственно в его маФериале выполнены Г-образные выступы 3, посредством которых звукопровод 1 с помощью, например, легкоплавких стекол либо другого св зующего вещества. 4 жестко соединен с крьшкой 5 корпуса. При это%1 звукопровод 1 вл етс одновременно основанием корпуса. Объем 6 датчика над поверхностью распространени ПАВ в звукоп15оводе 1 вакуумируетс . На ПАВ-стру туре 2 путем ее включени в цепь обратной св зи усипител (не доказан) образован ПАВ-генератор.The temperature sensor (Fig. 1) contains a chimney 1, the surface of which is located on the structure of the surfactant 2 (delay line on the surfactant or surfactant-rezonator). On the external contour of the sound guide 1, L-shaped protrusions 3 are made directly in his mafialele, by means of which the sound guide 1 with the help of, for example, low-melting glasses or another binder. 4 is rigidly connected to the housing cover 5. With this% 1, conduit 1 is also the base of the housing. The sensor volume 6 above the surfactant distribution surface in the sound attenuator 1 is evacuated. On the surfactant circuit of round 2, a surfactant generator is formed by its inclusion in the feedback loop of the amplifier (not proven).

Процесс измерени температуры препредлагаемым датчиком осуществл етс следующим образом.The process of temperature measurement by a pre-proposed sensor is carried out as follows.

Частота, при которой происходит возбуждение ПАВ-генератора на оскове ПАВ-структуры 2, в частности лини задержки на ПАВ, определ етс вывыражениемThe frequency at which the SAW generator is excited on the Oscar of the SAW structure 2, in particular the delay line on the SAW, is determined by the expression

(1)(one)

где п- 1, 2, 3 ,..- целое, определ ющее модуль колебани ; суммарный фазовый сдвиг в: цеп к усилител , входном И выходном ВШП; Т - акустическа задержка ПАВwhere n is 1, 2, 3, .. is an integer defining the modulus of oscillation; total phase shift in: the circuit to the amplifier, input and output transducer; T - acoustic delay surfactant

при ее распространении в ПАВструк туре 2,with its distribution in PAWstrukt round 2,

Изменение температуры: контролируемой среды, в которую помещаетс датчик , и, следовательно, температуры звукопровода I приводит к девации «ыходной частоты f ПАВ-генератораTemperature change: the controlled environment in which the sensor is placed, and, consequently, the temperature of the sound duct I leads to the "output frequency f" of the SAW-generator

вследствие изменени величины акустической задержки ПАВ Г что св зано , в свою очередьS с температурой зазисш-юстью скорости ПАВ и йзменением геометрическ1-гл размеров зву копровода 1«due to the change in the acoustic delay of the surfactant G, which is connected, in turn, with the temperature of the surfactant velocity and the change in the 1-h geometric dimensions of the sound channel 1 "

Частотно-температурна характеристика f.i ПАВ-генератора на основе звукопровода . 1 из, например монокристаллического юзарца определ етс выршкениемFrequency-temperature characteristic f.i SAW-generator based on the sound duct. 1 of, for example, monocrystalline yuzarc is determined by wire

(,,, f ,-0(т-JJ :т-т,Я(,,, f, -0 (t-jj: tt, I

(2)(2)

,.. о J.. about j

где jj, - текпературные коэффициенты частоты i-ro пор дка, измаранные при опорной температуре Т 25 С,,where jj, are the temperature coefficients of the frequency i-ro on the order, izmaranny at the reference temperature T 25 C ,,

f. В ч-астности,, дл кварца LST-Cpe3 U 28-loS (С): ; 40 ( ; дл Y-среза: 23-ю (°С)- , , (С) . Таким образом, изменениеf. In h-life, for quartz LST-Cpe3 U 28-loS (С):; 40 (; for Y-slice: 23rd (° С) -,, (С). Thus, the change

3 температуры контролируемой среды сопровождаетс практически линейным изменением частоты датчика.3, the temperature of the controlled medium is accompanied by an almost linear change in the frequency of the sensor.

Положительньй эффект, достигаемьй за счет применени предлагаемогоThe positive effect is achieved through the use of the proposed

Q решени , можно по снить следующим образом ,Q solutions can be seen as follows.

Поскольку соединениекрьЛжи 5 корпуса - звукопровод } с помощью св зующего вещества 4 вл етс жестким , 5 (что необходимо дл вакуумировани поверхности распространени ПАВ), из-за разности в температурных коэффициентах расширени (ТКР) соедин емых материалов в области соединени Since the connection of the enclosure LRG 5 to the duct with the help of adhesive 4 is rigid, 5 (which is necessary for evacuating the surfactant distribution surface), due to the difference in temperature expansion coefficients (TCR) of the materials being joined

0 возникают значительные механические i напр жени и деформации. Разница в ТКР может быть обусловлена использованием крышки 5 с ТКР, отличным от ТКР звукопровода 1 , либо различаS етс ТКР св зующего вещества 4. Однако даже при выполнении крышки 5 из того же материала, что и звукопро- вод 1 i, например из монокристалличес-кого кварца, невозможно получить сво50 бедное от термонапр жений соединение , поскольку св зующее вещество 4 всегда имеет изотропный независ щий от направлени ТКР, а монокварц обладает значительной анизотропией теп55 ловых свойств (ТКР кварца, вдоль, / например, z и Xj, осей, отличаетс в0 significant mechanical stresses and deformations occur. The difference in the TCR may be due to the use of the cover 5 with the TCR, different from the TCR of the sound duct 1, or a different TCR of the binder 4. However, even when the cover 5 is made of the same material as the sound duct 1 i, for example, single crystal quartz, it is impossible to get a connection that is poor from thermal stresses, since binder 4 always has an isotropic TCR independent, and mono quartz has a significant anisotropy of thermal properties (quartz TCR, along, / e.g., z and Xj, axes, differs at

г бg b

2 раза - соответственно 14 102 times - respectively 14 10

иand

2ю ГС)-). Таким образом, при изменении тем пературы ДТ в области соединени материале звукопровода 1 возникают механические деформации, максимальна которых определ етс как S Дс лТ, (3) где л с/- разница в ТКР. Требуемое максимальное изменени линейного размера (удлинение или укорочение), необходимое дл исключе ни термодеформации подложки из-за рассогласовани в ТКР, на основании (3) 1„ йЫ л Т, где 1д - некоторый посто ниьй дл данного датчика размер, определ емый его конкретной конструкцией и линейными размерами. В случае сплошной однородной пло кой подложки - звукопровода 1 проис ходило бы распространение термодеформаций и напр жений .по всему звукопроводу I, в том числе в область размещени ПАВ-структуры. В результате наблкщалс бы дрейф выходной частоты датчика и резкое снижение точности измерени . Однако в предлагаемом датчике по периметру звукопровода 1 выполнены Г-образные выступы 3. Зона соединени 4 св зана с основной частью звукопровода 1, где размещена ПАВструктура 2, посредством этих высту пов . При передаче термонапр жений из области соединени 4 к обдасти звукопровода 1 с ПАВ-структурой 2 как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскост х (по отношению к поверхности распространени ПАВ), одно или одновременно оба плеча Г-образного выступа 3 работают прей мущественно на изгиб, подобно консольно закрепленной пластинке. В этом случае даже при небольших термически вызванньк усили х происходи значительна деформаци Г-образных вькгтупов 3 и необходима величина макс накапливаетс за счет деформации , преимущественно изгиба, Г-об разных выступов. В результате в предлагаемом датч ке удаетс разв зать имеющую значительные термонапр жени вследствие рассогласовани ТКР зону соединени от области звукопровода 1, где размещена ПАВ-структура 2, и исключить таким образом по вление в ней этих термонапр жений и св занного с ними дрейфа выходной частоты датчика, повысив тем самым точность измерени . Дл получени качественной герметизации датчика требуетс жесткое соединение, достигаемое с помощью композиций на основе легкоплавких : стекол, эвтектических слоев, пайки припо ми, сварки и т.д. Предлагаема конструкци позвол ет осуществить жесткое соединение крышки корпуса 5 непосредственно со звукопроводом 1, избежав при этом термодеформаций ПАВструктуры 2 вследствие неизбежного рассогласовани ТКР в зоне соединег. ни . В результате вакуумировани 6 датчика над поверхностью расг. пространени ПАВ-резко замедл етс процесс старени ПАВ-структуры 2 и улучшаетс долговременна стабильность датчика. Кроме того, предлагаемый датчик имеет иизкую тепловую инерционность и высокое быстродействие, поскольку пол основани корпуса может выполн ть звукопровод 1 (см. фиг.1), в результате чего осуществл етс непосредственное контактирование измер емой среды с чувствительным элементом датчика (при этом поверхность распространени ПАВ остаетс вакуумированнрй ). S Предлагаемьй датчик при необходимости может быть снабжен и отдельным основанием (фиг.1) , т.е. полностью заключен в отдельный корпус. В этом случае эластичный клей 7 целесообразно размещать в област х Г-образных выступов 3. Такой датчик при росте устойчивости к внешним воздействи м сохран ет его достоинства предыдущей конструкции за исключением увеличени тепловой инерционности. Нар ду с представленной на фиг.1 конструкцией датчика могут быть использованы варианты его выполнени Сфиг.4-7). В частности, конструкци фиг.5 позвол ет производить операции по формированию Г-образных выступов 3 и процесс соединени со стороны, противоположной поверхности размещени ПАВ-структуры 2, тем самым снижа веро тность ее повреждени . Вариант фиг.6 вл етс более технологичным , поскольку все операШ™ j в том числе соединение с крьппкой 5 корпуса, производ тс со стороны размещени структур на ПАВ 2, Конструкци фиг.7 представл ет собой вырозеденный случай предлагаемого датчика, когда два Г-о0разных паза сливаютс в один общий Т-образный выступ. Поскольку к качеству обработки и точнйсти размеров выступов 3 не пред вл етс жестких требований, они легко могут быть сформированы методом хи мического травлени ,фрезеровани и т.д Требуемые геометрические размеры выступов могут быть рассчитаны дл данной конструкции датчика на основе известных соотношений теории упругоети .при условии, чтоба они обеспечивали компенсацмо определ емой (4) величины йС.,„ . Однако обычно ад таточно выполнение соотношени дл хот бы.одного из плеч Г-образного выступа фиг.6: d/h . D/H, h 0,3H в предложении, что второе плечо выступа имеет ширину h и длину 0,5Н, где D длина части вукопровода 1 без выступов в рассматриваемом направлении; Н - толщина этой части звукопровода. Формула и :3 о б р е т в и Датчик температуры, выполненный в виде расположенного f корпусе звукопровода , на поверхности которого размещена структура на поверквостных акустических волнах, от ича ц и и с тем, что, с целью повышени быстродейств1т и точности измерени температуры, по внеоюему контуру звукопровода выполнены Г-образные выступы, посредством которых он соединен с корпусом.2nd HS) -). Thus, when the DT temperature changes in the joint area of the duct material 1, mechanical deformations occur, the maximum of which is defined as S Ds lT, (3) where l s / is the difference in TCR. The required maximum linear dimension change (lengthening or shortening) required to eliminate thermal deformation of the substrate due to mismatch in TCR, on the basis of (3) 1 ”Y and T, where 1e is some constant for a given sensor, the size determined by its specific construction and linear dimensions. In the case of a continuous homogeneous flat substrate - sound duct 1, thermal deformations and stresses would propagate throughout the sound duct I, including to the area where the SAW structure is located. As a result, there would be a drift in the output frequency of the sensor and a sharp decrease in the measurement accuracy. However, in the proposed sensor, along the perimeter of the sound duct 1, L-shaped projections 3 are made. The junction zone 4 is connected with the main part of the sound duct 1, where the SAW structure 2 is located, by means of these slots. When transferring thermal stresses from the joint area 4 to the sound duct 1 with the surfactant structure 2 in both horizontal and vertical planes (relative to the surfactant propagation surface), one or both of the arms of the L-shaped protrusion 3 work predominantly on bend, like a cantilever plate. In this case, even with small thermally induced forces, there is a significant deformation of the L-shaped fingers 3 and the required maximum value is accumulated due to the deformation, mainly bending, of different protrusions. As a result, in the proposed sensor, it is possible to unmount the significant thermal stress due to TCR disagreement from the area of the sound duct 1, where SAW structure 2 is located, and thus to exclude the appearance of these thermal voltages and the associated drift of the output frequency of the sensor , thereby increasing the measurement accuracy. In order to obtain high-quality sealing of the sensor, a rigid connection is required, achieved with the help of compositions based on low-melting points: glasses, eutectic layers, soldering, welding, etc. The proposed design allows rigid connection of the housing cover 5 directly to the sump 1, while avoiding thermal deformations of the PAV structure 2 due to the inevitable mismatch of the TCR in the connection zone. neither As a result of evacuation of the sensor 6 above the surface rasg. The surface of the surfactant slows down the aging process of the surfactant structure 2 and improves the long-term stability of the sensor. In addition, the proposed sensor has a low thermal inertia and high speed, since the floor of the base of the case can perform the conduit 1 (see Fig. 1), as a result of which the measured medium is directly contacted with the sensor element of the sensor the vacuum remains). S The proposed sensor, if necessary, can be equipped with a separate base (Fig. 1), i.e. completely enclosed in a separate enclosure. In this case, the elastic glue 7 should be placed in the areas of the L-shaped protrusions 3. Such a sensor with an increase in resistance to external influences retains its advantages of the previous design with the exception of increasing thermal inertia. Along with the sensor design shown in Fig. 1, embodiments of its implementation can be used (Fig 4-7). In particular, the design of FIG. 5 allows the formation of L-shaped protrusions 3 and the process of joining from the side opposite to the surface where the SAW structure 2 is located, thereby reducing the likelihood of damage. The variant of FIG. 6 is more technological, since all the operatives of the j j including the connection with the housing key 5 are made on the side of placing the structures on the SAW 2. The design of FIG. 7 is an isolated case of the proposed sensor, when two G-0-different the groove merges into one common T-shaped protrusion. Since the quality of processing and the accuracy of the dimensions of the protrusions 3 are not rigid requirements, they can be easily formed by chemical etching, milling, etc. The required geometrical dimensions of the protrusions can be calculated for this sensor design based on the well-known elastic theory relations. provided that they provide a compensable (4) value of yC. However, it is usually sufficient to fulfill the relation for at least one of the arms of the L-shaped protrusion of FIG. 6: d / h. D / H, h 0.3H in the sentence that the second shoulder of the protrusion has a width h and a length of 0.5N, where D is the length of the part of the pipeline 1 without protrusions in the direction in question; H is the thickness of this part of the sound duct. Formula I: 3 about the temperature The temperature sensor, made in the form of the f duct of the duct, on the surface of which the structure is located on the acoustic waves, from the fact that, in order to improve speed and accuracy of temperature measurement , along the external contour of the sound duct, L-shaped projections are made, by means of which it is connected to the housing.

4.four.

фи9,7fi9,7

фме.fme.

Claims

Formula invented

The temperature sensor, made in the form of a sound duct located in the housing, on the surface of which a structure is placed on surface acoustic waves, characterized in that, in order to improve the speed and accuracy of temperature measurement, L-shaped protrusions are made along the external contour of the sound duct, by means of which it connects