Резонансный преобразователь давления



Резонансный преобразователь давления
Резонансный преобразователь давления

 


Владельцы патента RU 2431815:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых датчиков давлений. Техническим результатом является повышение чувствительности преобразователя. Резонансный преобразователь давления содержит кремниевую мембрану для измерения давления. На мембране расположены кремниевый резонатор, два постоянных магнита. Резонатор выполнен в виде рамки, внутри которой на перемычках подвешена плоско-параллельная пластина с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек. На другой перемычке расположен тензорезистор, обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых датчиков давлений.

Известен резонансный преобразователь давления, содержащий балку из нитрида кремния, опирающуюся на присоединенную к кремниевой мембране рамку особой конструкции из монокремния. Балка возбуждается электротермическим способом, ее колебания улавливаются тонкопленочными тензорезисторами [1].

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является кремниевый резонансный преобразователь давления, содержащий воспринимающую мембрану, на которую воздействует измеряемое давление, резонатор, который смонтирован на воспринимающей мембране и который выполнен из полупроводникового материала. Резонатор состоит из колебательной балочной структуры, имеющей первую и вторую колебательные балки, которые размещены параллельно друг другу, и, по крайней мере, одной соединяющей перемычки, которая соединяет первую и вторую колебательные балки; управляющего колебательного контура, который изготовлен со стороны, по крайней мере, одной боковой поверхности в осевом направлении первой и второй колебательной балок и который выполнен из проводникового материала, а также воспринимающего колебательного контура, который изготовлен со сторон другой боковой поверхности в осевом направлении первой и второй колебательной балок соответственно и который выполнен из проводникового материала [2].

Общим недостатком аналога и прототипа является низкая чувствительность, обусловленная наличием резонатора, состоящего из колебательной балочной структуры, имеющей первую и вторую колебательные балки, которые размещены параллельно друг другу, и перемычки, соединяющей первую и вторую колебательные балки.

Сила Лоренца, возникающая только в одной из балок, обеспечивает колебание не только балки, по которой протекает переменный ток, но и второй балки, соединенной с первой балкой перемычкой, и которая должна индуцировать возникающий во второй балке переменный ток в измерительную схему [2, 3, 4]. Таким образом, индуцированная электромагнитная сила выполняет работу по возбуждению колебаний в двух балках одновременно, что требует увеличения протекающего через первую колебательную балку переменного тока, что снижает чувствительность преобразования при заданном значении потребляемой мощности.

Изобретение направлено на повышение чувствительности преобразователя.

Согласно изобретению, в резонансном преобразователе давления, содержащем кремниевую мембрану, предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором, два постоянных магнита, обеспечивающих действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, резонатор выполнен в виде рамки, внутри которой на перемычках подвешена плоскопараллельная пластина с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор, обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины.

Введение предложенной конструкции, включающей резонатор, выполненный в виде рамки, внутри которой на перемычках подвешена плоскопараллельная пластина с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор, обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины, позволяет повысить чувствительность за счет того, что ток, протекающий по проводящей дорожке, напыленной на поверхности плоско-параллельной пластины по ее периметру, имеет взаимообратные направления, то есть на пластину действуют две силы Лоренца, направленные в противоположные стороны, что обеспечивает при одинаковом заданном значении потребляемой мощности вдвое большую эффективность колебаний, т.е. вдвое повышает чувствительность преобразователя. При этом с тензорезистора, обеспечивающего восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины, снимается выходное напряжение переменного тока с частотой, равной частоте колебаний плоско-параллельной пластины при измеряемом давлении.

Предлагаемое устройство поясняется на фиг.1,2.

На фиг.1 изображен преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану (1), предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором (2).

На фиг.2 изображен кремниевый резонатор (2), с двумя постоянными магнитами (3), обеспечивающими действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора (2). Резонатор (2) выполнен в виде рамки, внутри которой на перемычках (4,5) подвешена плоско-параллельная пластина (6) с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой (7), которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор (8), обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины (6).

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое давление, воздействуя на плоско-параллельную пластину, изменяет резонансную частоту ее колебаний, вызываемых силами Лоренца, воздействующими на противоположные стороны плоско-параллельной пластины, со стороны постоянного магнита при пропускании через проводящую дорожку переменного тока, что, в свою очередь, вызывает изменение частоты колебаний перемычки с расположенным на ней тензорезистором, частота выходного напряжения на котором пропорциональна изменению измеряемого давления. Наличие конструкции, при которой проводящая дорожка расположена по периметру плоско-параллельной пластины таким образом, что возникающие две противоположно направленные силы Лоренца создают вращающий момент, обеспечивающий колебания плоско-параллельной пластины, позволяет вдвое повысить чувствительность преобразования за свет увеличения амплитуды колебаний плоско-параллельной пластины при одинаковом заданном значении потребляемой мощности. При этом с тензорезистора, обеспечивающего восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины, снимается выходное напряжение переменного тока с частотой, равной частоте колебаний плоско-параллельной пластины при измеряемом давлении.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение чувствительности.

Источники информации

1. Deyong Chen, Dafu Cui, Li Wang, Xiaotong Gao. SiN beam resonant pressure sensors with a novel structure / Sensors, 2002. Proceedings of IEEE. - 2002. - Vol.2 - p.994-997.

2. Патент США №7013733, 2006.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А., 1990, Справочник по физике. 3-е изд. М.: Наука, Физматгиз, 624 с.

4. Джексон Р. «Новейшие датчики». Москва: Техносфера, 2007. - 384 с.

Резонансный преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану, предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором, два постоянных магнита, обеспечивающих действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, отличающийся тем, что резонатор выполнен в виде рамки, внутри которой на перемычках подвешена плоскопараллельная пластина с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор, обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления (ВОДД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля давления.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления контролируемой среды - жидкости, суспензии, газа. .

Изобретение относится к области контроля ядерных реакторов, а именно к способам контроля давления газа в тепловыделяющем элементе (ТВЭЛ) реактора. .

Изобретение относится к области контроля ядерных реакторов, а именно к устройствам контроля давления газа в тепловыделяющем элементе (ТВЭЛе) реактора. .

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно представляет собой прибор для одновременного мониторинга нескольких физико-химических параметров молока в процессе его свертывания, например температуры, вязкости, активной кислотности, активности ионов кальция (или других ионов в зависимости от выбора ион-селективных электродов).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических датчиках, предназначенных для измерения температуры различных объектов, а также для измерения деформации, перемещения.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения давления

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения давления
Изобретение относится к акустической диагностике и может быть использовано в магистральных нефтегазопроводах

Изобретение относится к оптоволоконным технологиям

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при конструировании и в процессе сборки волоконно-оптических датчиков давления на основе оптического туннельного эффекта

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления контролируемой среды. Вибрационный датчик избыточного давления состоит из герметично перекрываемого корпуса, чувствительного элемента, датчика возбуждения колебаний, датчика съема колебаний, усилителя, преобразователя и регистратора. Чувствительный элемент расположен внутри корпуса и принимает давление измеряемой среды. Чувствительный элемент выполнен в виде первичного преобразователя, состоящего из двух соосных труб разного диаметра, соединенных верхними основаниями друг с другом и нижними основаниями друг с другом посредством верхних и нижних фигурных патрубков соответственно. Нижние фигурные патрубки прикреплены к корпусу через вентильный блок. Внутренняя труба первичного преобразователя выполнена с отверстиями. Во внешнюю трубу первичного преобразователя вкручены датчик съема колебаний и датчик возбуждения колебаний, сдвинутые относительно друг друга на 90 градусов. Усилитель соединен входом с датчиком съема колебаний, а выходом с датчиком возбуждения колебаний и преобразователем. Выход преобразователя подключен к регистратору, отображающему величину избыточного давления измеряемой среды. Техническим результатом изобретения является повышение точности, увеличение диапазона и надежности измерения. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкости и газов. Резонансный сенсор давления содержит измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в форме балки с прямоугольным сечением, в теле которого сформированы тензорезисторы, при этом размер сечения балки в ортогональном направлении к плоскости колебаний постоянен, а в направлении колебаний возрастает по линейному закону, достигая максимального значения по середине балки, причем отношение максимального размера сечения к минимальному в указанном направлении лежит в интервале от 1 до 6. Техническим эффектом является уменьшение нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления. 4 ил.

Группа изобретений относятся к исследованиям скважин и может быть использована для мониторинга внутрискважинных параметров. Техническим результатом является оптимизация, автоматизация, повышение эффективности процесса добычи нефти, в т.ч. за счет повышения скорости и достоверности мониторинга внутрискважинных параметров по всей длине скважины. Способ мониторинга внутрискважинных параметров, при котором с помощью источника лазерного излучения формируют заданной длительностью и частотой световой импульс, поступающий в оптоволоконный кабель, где по всей длине кабеля выделяют излучение рассеяния. Излучение рассеяния, поступающее в блок обработки, преобразуют в электрический сигнал и усиливают, затем из него выделяют полезный сигнал, поступающий на вход второго контроллера, где определяют частоту смещения полезного сигнала относительно частоты генерации источника лазерного излучения, а затем по ее значению вычисляют текущее значение параметра изменения давления, полученные данные сравнивают с заданными в первом контроллере, при отклонении от которых автоматически регулируют процесс добычи нефти в соответствии с изменением притока, определяемого путем непрерывного измерения изменения давления, в скважине управляют частотой вращения вала электродвигателя, при значении параметра изменения давления меньше заданной величины увеличивают частоту вращения вала электродвигателя, при значении параметра изменения давления больше заданным значением уменьшают. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим устройствам измерения давления. Устройство содержит широкополосные полупроводниковые светодиоды, Y-образные волоконно-оптические разветвители и резонаторы Фабри-Перо. Один из резонаторов Фабри-Перо предназначен для получения интерференции световых лучей, отраженных от поверхности мембраны и торца световода, при воздействии давления и температуры контролируемой среды на базовое расстояние между ними. Второй резонатор Фабри-Перо предназначен для получения интерференции отраженных световых лучей при температурном воздействии среды. Вторые оптоволоконные выходы разветвителей сопряжены с регистрирующим блоком, Фотоприемная линейка которого через аналого-цифровой преобразователь связана с процессором обработки цифровых сигналов. Световоды первого и второго резонаторов расположены в корпусе, имеющем две полости, между которыми расположена мембрана. Одна из полостей корпуса сообщается с контролируемой средой и обращена к центральной части мембраны со стороны противолежащей ее отражающей поверхности. В другой полости корпуса размещены изолированные друг от друга световоды резонаторов. Технический результат - повышение точности измерений за счет уменьшения влияния неоднородности температуры. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх