CELDA DE MEDIDA

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a una celda de medida para un sensor resonante piezoeléctrico que se utiliza como microbalanza piezoeléctrica en un medio fluido.

Estado de la técnica

En el estado de la técnica es conocido un dispositivo para medir una masa depositada sobre una cara de una oblea de cristal de cuarzo de una microbalanza de cristal de cuarzo, QCM (quartz crystal microbalance) a partir de la solicitud de patente EP2447683A1 , incorporada aquí por referencia.

La microbalanza de cristal de cuarzo QCM mide la masa depositada sobre una cara de un cristal de cuarzo mediante las alteraciones de la propia frecuencia de oscilación natural de un cristal de cuarzo. La correlación entre la masa depositada sobre la oblea de cristal de cuarzo y la oscilación de la propia frecuencia natural del cristal de cuarzo está definida por la ecuación de Sauerbrey.

La celda para una microbalanza QCM comprende un primer cuerpo de carcasa y un segundo cuerpo de carcasa que son ensamblados de manera desmontable entre sí, de tal manera que la celda de la microbalanza QCM puede funcionar en un entorno de vacío o en medio fluido tal como un líquido o un gas. El primer cuerpo de carcasa comprende una boca de entrada para dirigir el fluido de trabajo hacia la cara superior de la oblea de cristal de cuarzo con el fin de que el cristal de cuarzo entre en contacto con el fluido de trabajo.

El segundo cuerpo de carcasa comprende una estructura de soporte para recibir el cristal de cuarzo y un contenedor para recibir también un circuito de excitación electrónica que suministra una tensión eléctrica al cuarzo a través de unos terminales de trabajo conectados eléctricamente a electrodos de trabajo dispuestos en la cara posterior o inferior del cristal de cuarzo. Cuando un campo eléctrico modulado con alta frecuencia se aplica al cristal de cuarzo se produce una vibración mecánica medible cuya frecuencia varía en función de la masa depositada sobre la cara superior del cristal de cuarzo. Cuando la cara superior del cristal de cuarzo está en contacto con un líquido de trabajo hay que evitar que el líquido de trabajo alcance el recinto de medición eléctrica del segundo cuerpo de carcasa. Por tanto, el segundo cuerpo de carcasa comprende medios de sellado para aislar la zona húmeda o zona de contacto del cristal de cuarzo con un medio de fluido de trabajo, de una zona seca donde se encuentra dispuesto un circuito de excitación electrónico del cristal de cuarzo y también la otra cara del sensor.

Asimismo, el medio de sellado debe procurar distribuir uniformemente fuerzas de apriete aplicadas para montar mecánicamente el primer cuerpo de carcasa y el segundo cuerpo de carcasa en posición de trabajo de la microbalanza piezoeléctrica. Para asegurar la repetitividad de las mediciones realizadas por la microbalanza piezoeléctrica, el medio de sellado debe ser fácilmente desmontable, por tener que ser cambiado después de varios ciclos de trabajo de la microbalanza piezoeléctrica.

Sumario

La presente invención busca resolver uno o más de los inconvenientes expuestos anteriormente mediante una celda de medida de un sensor resonante piezoeléctrico como es reivindicado en las reivindicaciones.

Una celda de medida de un resonador piezoeléctrico o resonador de cristal de cuarzo piezoeléctrico que comprende un primer cuerpo de carcasa y un segundo cuerpo de carcasa; donde el resonador incluye al menos dos electrodos de contacto eléctrico de metal, donde el primer cuerpo de carcasa comprende unos rasgos acopladores y el segundo cuerpo de carcasa comprende unas hendiduras acopladoras configuradas para que los rasgos acopladores puedan ser ensamblados en las hendiduras acopladoras, cuando la celda de medida está en posición de trabajo. Los contactos eléctricos pueden estar localizados en una misma superficie del resonador o distribuidos proporcionalmente en ambas superficies del resonador.

El primer cuerpo de carcasa es ensamblado en el segundo cuerpo de carcasa cuando es ejercida una fuerza de presión sobre el primer cuerpo de carcasa hasta que la superficie del extremo inferior del primer cuerpo hace contacto físico con el extremo de la superficie superior del segundo cuerpo de carcasa y, a continuación, se realiza una rotación del primer cuerpo de carcasa hacia un lado del eje de simetría de la celda de medida.

El primer cuerpo de carcasa realiza una rotación igual o superior a 30°; preferentemente, una rotación entre 45° y 90°, rotación de un cuarto de vuelta. La celda de medida comprende un resonador piezoeléctrico que comprende al menos dos electrodos de contacto eléctrico uno dispuesto en la cara inferior del resonador y otro en la cara superior pero configurados de tal manera que son accesibles desde la cara inferior del resonador para hacer contacto eléctrico con al menos dos electrodos de conexión eléctrica distribuidos sobre una estructura de soporte.

La estructura de soporte tiene al menos dos taladros pasantes en los cuales están embutidos los electrodos de conexión eléctrica, respectivamente, sobresaliendo de la superficie superior e inferior de la estructura de soporte.

Además, la estructura de soporte comprende una pluralidad de taladros ciegos distribuidos de forma regular y concéntricamente al eje de simetría de la celda de medida por la superficie inferior de la estructura de soporte, de manera que una pluralidad de terminales de conexión eléctrica son insertables en la pluralidad de taladros ciegos.

Dos terminales de conexión eléctrica hacen contacto eléctrico con los electrodos de conexión eléctrica, respectivamente.

Los terminales de conexión eléctrica comprenden resortes suministrando un desplazamiento vertical, según el eje de simetría de la celda de medida, a la estructura de soporte para limitar la presión sobre el resonador cuando la celda de medida está en posición de trabajo. La pluralidad de terminales de conexión eléctrica están insertados a presión en una pluralidad de taladros pasantes distribuidos de manera regular en un elemento distribuidor que mantiene distanciados los terminales de conexión eléctrica unos de otros.

Por lo tanto, el electrodo de contacto eléctrico establece contacto eléctrico con una interfaz electrónica a través de los electrodos de conexión eléctrica y de los terminales de conexión eléctrica.

Celda de medida tiene, alternativamente, una estructura de soporte con una forma y dimensiones que impiden a la misma ser girada según el eje de simetría de la celda de medida. Resumiendo, el resonador queda presionado tanto por el extremo inferior del primer cuerpo de carcasa como por la estructura de soporte por la presión ejercida por los terminales de conexión eléctrica a través de la estructura de soporte. El resonador es del tipo resonador piezoeléctrico, resonador de cristal de cuarzo piezoeléctrico o similar.

Breve enunciado de las figuras

Una explicación más detallada de la invención se da en la descripción que sigue y que se basa en las figuras adjuntas:

La figura 1 , muestra en una vista explosionada en perspectiva de una celda de medida de un resonador de cristal de cuarzo piezoeléctrico;

La figura 2 muestra en una vista en perspectiva la celda de medida en posición de trabajo; La figura 3 muestra en una vista en perspectiva un segundo cuerpo de carcasa de la celda de medida; y

La figura 4 muestra en una vista en perspectiva el segundo cuerpo de carcasa de una alternativa de celda de medida donde un resonador está integrado en una estructura de soporte formando un elemento flotante único y donde el segundo cuerpo de carcasa incluye huecos pasantes regularmente distribuidos en los cuales son insertables un conjunto de terminales de conexión eléctrica.

Descripción

En relación con las figuras 1 a 4 donde se muestra una celda de medida 11 de un sensor basado en un resonador piezoeléctrico que comprende un primer cuerpo 12 de carcasa y un segundo cuerpo 13 acoplados de manera que se posibilita su desensamblaje desde una posición de trabajo cerrada hacia una posición de abierta y viceversa. El primer cuerpo de carcasa 12 tiene unos rasgos acopladores 24 para ser retenidos en correspondientes hendiduras acopladoras 23, incluidas en el segundo cuerpo de carcasa, cuando la celda 1 1 de medida está en posición de trabajo. Por ejemplo, para abrir la celda de medida 1 1 hay que girar el primer cuerpo 12 de carcasa alrededor de un eje de simetría de la celda de medida 11 y, a continuación, realizar un movimiento vertical con el primer cuerpo 12 según el mismo eje de simetría.

Análogamente para ensamblar la celda de medida 11 hay que acoplar el primer y segundo cuerpo de carcasa 12, 13 introduciendo el primer cuerpo 12 de carcasa en el segundo cuerpo 13 de carcasa y, a continuación, girar el primero cuerpo 12 de carcasa hacia un lado según el eje de simetría de la celda de medida 1 1.

Es decir, que para ensamblar o desensamblar la celda de medida 11 hay que realizar coordinadamente un movimiento vertical, según el eje de simetría de la propia celda de medida 1 1 , y un movimiento de rotación del primer cuerpo 12 de carcasa sobre el segundo cuerpo 13 de carcasa alrededor del mismo eje de simetría.

El segundo cuerpo 13 de carcasa aloja en su interior, según una estructura de capas superpuestas o sándwich de varias capas, en orden descendente desde el extremo superior del segundo cuerpo 13 de carcasa, en contacto con el extremo inferior del primer cuerpo de caracas 12, hacia el extremo distal del propio segundo cuerpo de carcasa 13, un resonador 15 que comprende al menos un par de electrodos de contacto eléctrico 16, donde un primer electrodo de contacto eléctrico está dispuesto en la cara superior del resonador 15 y un segundo electrodo de contacto eléctrico está dispuesto en la cara inferior del resonador 15 de tal manera que ambos contactos son accesibles desde la cara inferior del resonador de cuarzo 15. Alternativamente, los electrodos de contacto eléctrico 16 pueden estar localizados sobre la misma superficie del resonador 15. La cara superior del resonador 15 está configurada para recibir un fluido de trabajo guiado desde una boca de entrada 14 dispuesta en el primer cuerpo 12 de carcasa. El resonador 15 es del tipo resonador piezoeléctrico, resonador de cristal de cuarzo piezoeléctrico o similar.

Una junta de sellado se coloca entre el primer cuerpo 12 de carcasa y el resonador 15 para garantizar la estanqueidad entre ambas partes.

Los dos electrodos de contacto eléctrico 16 son planos y concéntricos en forma de porción anular y están colocados en posiciones diametralmente opuestas de la cara inferior del resonador 15.

El resonador 15 es situado sobre la superficie superior de una estructura de soporte 18 flotante, la cual comprende al menos dos electrodos de conexión eléctrica 19 concéntricos en forma de porción de anular y están colocados en posiciones diametralmente opuestas sobre la superficie superior de la estructura de soporte 18 flotante para mantener una conexión eléctrica continua con los electrodos de contacto eléctrico 16 del resonador 15. Los electrodos de conexión eléctrica 19 están embutidos en respectivos taladros pasantes del disco plano de la estructura de soporte 18 de forma que sobresalen de las superficies superior e inferior del disco; es decir, los electrodos de conexión eléctrica 19 asoman por ambas caras del disco de la estructura de soporte 18. La estructura soporte 18 descansa sobre los extremos superiores de un conjunto de terminales de conexión eléctrica 20 distribuidos en correspondientes huecos pasantes regularmente distribuidos sobre un elemento distribuidor 21.

La estructura de soporte 18 flotante tiene una forma regular adapta para recibir sobre ella misma el resonador 15; por ejemplo, en forma de disco plano con un tronco en forma de columna hueca, de manera que el disco plano tiene al menos dos proyecciones 26 salientes, en forma de porción semicircular dispuestas en posiciones diametralmente opuestas en proximidad a la superficie inferior de la estructura de soporte 18.

La estructura de soporte 18 comprende una pluralidad de taladros ciegos distribuidos de forma regular y concéntricamente al tronco de la estructura de soporte 18 por la superficie inferior del disco de la misma estructura 18, de manera que el conjunto de terminales de conexión eléctrica 20 son insertables en la pluralidad de taladros ciegos para fijar la posición de la estructura de soporte 18 con respecto al distribuidor 21.

La superficie inferior de la estructura de soporte 18 descansa sobre el conjunto de terminales de conexión eléctrica 20 con resortes, siendo situados en una predeterminada posición determinada por la pluralidad de taladros pasantes del elemento distribuidor 21.

Los taladros pasantes del distribuidor 21 presentan un predeterminado diámetro de taladro de manera que los terminales de conexión 20 son encajados a presión en los taladros del distribuidor 21 de forma que los terminales de conexión 20 queden a una predeterminada altura sobre la superficie superior del distribuidor 21.

A su vez, el tronco de la estructura de soporte 18 es encajable en un hueco cilindrico pasante 17 del distribuidor 21. La superficie exterior del distribuidor 21 tiene forma distinta de una forma cilindrica, por ejemplo, rectangular y/o paralelepípeda para fijar el distribuidor 21 dentro de una correspondiente oquedad 22 pasante del segundo cuerpo 13 de carcasa.

La estructura de soporte 18 flotante es desplazable verticalmente según el eje de simetría de la celda 1 1 de medida bajo presión ejercida por primer cuerpo 12 de carcasa cuando es acoplado mecánicamente al segundo cuerpo 13 de carcasa, de manera que el primer cuerpo 12 de carcasa ejerce una presión controlada, constante y uniformemente distribuida sobre el resonador 15.

El desplazamiento vertical de la estructura de soporte 18 es suministrado por los resortes de los terminales de conexión eléctrica 20. Una presión controlada reduce la deriva en la respuesta del resonador 15 haciendo que la línea base se alcance en un tiempo mucho menor.

Una vez depositado el cristal de cuarzo 15 sobre la superficie superior de la estructura de soporte 18, los electrodos de contacto eléctrico 16 concéntricos establecen contacto eléctrico con los electrodos de conexión eléctrica 19 concéntricos embutidos en la estructura de soporte 18.

Resumiendo, el primer cuerpo de carcasa 12, una vez acoplado mecánicamente al segundo cuerpo de carcasa 13, ejerce una presión sobre el resonador 15 que, a su vez, trasfiere la presión sobre la estructura de soporte 18 que, a su vez, comprime los resortes de los terminales de conexión 20, siendo guiado el desplazamiento vertical de la estructura soporte 18 por el hueco pasante del segundo cuerpo 13 de carcasa.

Las proyecciones 26 que sirven para facilitar el ensamblaje de la estructura de soporte 18 dentro del segundo cuerpo de carcasa 13 y, además, sirven de guía para hacer que la estructura de soporte 18 realice un movimiento de desplazamiento ascendente o descendente durante el ensamblaje o desensamblaje de la célula de medida 11.

Las proyecciones 26, dispuestas en oposición una de otra, evitan que la estructura de soporte 18 se salga de su posición de montaje en el segundo cuerpo de carcasa 13, ya que están insertadas respectivamente en unas hendiduras 25 realizadas diametralmente opuestas en la superficie interior del segundo cuerpo de carcasa 13. Además evitan el giro de la estructura soporte 18 sobre su eje de simetría durante los proceso de ensamblaje y desensamblaje de la celda de medida 11

La estructura soporte 18 queda guiada verticalmente por las dimensiones de las hendiduras 25. La estructura soporte 18 queda elevada ligeramente sobre la superficie inferior de la hendidura 25. La holgura o altura de las hendiduras 25 es suficiente para que al acoplar mecánicamente el primer y segundo cuerpo de carcasa 12, 13, el soporte de estructura 18 junto con el resonador 15 puedan ser desplazados verticalmente hacia el extremo inferior del segundo cuerpo de carcasa 13. En este sentido las medidas y desplazamientos mecánicos están calculados con precisión. De modo alternativo, los resortes de los terminales de conexión eléctrica 20 controlan el desplazamiento vertical del resonador 15, de manera que el desplazamiento y presión ejercida sobre el resonador 15 reduce la deriva de la respuesta del resonador 15 sobre la célula de medida 11. Los electrodos de conexión eléctrica 19 concéntricos embutidos en la estructura de soporte 18 establecen contacto eléctrico con los correspondientes terminales de conexión 20 cuando la estructura de soporte está dispuesta sobre el distribuidor 21.

Los terminales de conexión 20, que establecen contacto eléctrico con los electrodos de conexión eléctrica 19 concéntricos, establecen contacto eléctrico también con una interfaz electrónica para transferir señales eléctricas a un circuito eléctrico interno y/o externo a la célula de medida 1 1. El circuito interno está localizado en un recinto del segundo cuerpo de carcasa 13

La estructura de soporte 18 tiene limitado el desplazamiento vertical según el eje de simetría por la altura de la hendidura 25 del segundo cuerpo 13 de carcasa. La disposición de estructura de soporte 18 y terminales de conexión eléctrica 20 funciona como un espaciador desplazable verticalmente según el eje de simetría de la celda de medida 1 1 bajo presión. Además, la disposición de estructura de soporte 18 y terminales de conexión eléctrica 20 establecen contacto eléctrico entre los electrodos de contacto eléctrico 16 del resonador 15 y la interfaz electrónica. La cara superior de un electrodo de conexión eléctrica 19 está enfrentada a una cara libre del electrodo de contacto eléctrico 16, respectivamente. Y la cara inferior de un electrodo de conexión eléctrica 19 está enfrentada a un extremo libre de un terminal de conexión eléctrica 20, respectivamente.

El conjunto formado por la estructura de soporte y los terminales de conexión eléctrica 18, 20 están configurados como un cuerpo movible verticalmente según el eje de simetría de la celda de medida 1 1 , para distribuir uniformemente la fuerza aplicada durante el montaje y desmontaje de la celda de medida 1 1 , manteniendo el resonador 15 en la posición objetivo en cualquier posición de la celda de medida 1 1 , evitando además cualquier tipo deterioro del cristal de cuarzo 15.

En la posición de trabajo de la celda de medida 1 1 ; es decir, el primer cuerpo de caracas 12 acoplado mecánicamente al segundo cuerpo 13 de carcasa, el resonador 15 queda sellado por la presión entre la parte inferior del primer cuerpo 12 de carcasa y la estructura de soporte 18, quedando el resonador de cristal 15 entre ellas en forma de sandwich.

Por tanto, el sellado de la celda de medida 1 1 evita la utilización de tornillos de apriete, de manera que la repetitividad en el posicionado y en la presión realizada sobre el resonador 15 es elevada a diferencia del uso de tornillos de apriete donde la presión ejercida depende de la fuerza de apriete realizada por el usuario. Esto es indeseable ya que reduce la repetitividad en medidas consecutivas cuando la celda 11 se desmonta y se vuelve a montar.

Resumiendo, los electrodos de contacto eléctrico 16 establecen contacto eléctrico con la interfaz electrónica a través de los electrodos de conexión eléctrica 19 y de los terminales de conexión eléctrica 20.