Резонансный преобразователь давления



Резонансный преобразователь давления
Резонансный преобразователь давления
Резонансный преобразователь давления
Резонансный преобразователь давления
Резонансный преобразователь давления
Резонансный преобразователь давления
Резонансный преобразователь давления
Резонансный преобразователь давления
Резонансный преобразователь давления

 


Владельцы патента RU 2601221:

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. Сущность: преобразователь давления содержит кремниевую мембрану (1), предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором (2). Дополнительно преобразователь содержит два постоянных магнита (3), обеспечивающие действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора (2). Резонатор (2) выполнен в виде наружной рамки, внутри которой на перемычках (4, 5) подвешен колебательный элемент в виде внутренней рамки (6) с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой (7), которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен преобразователь деформации, состоящий из расположенных попарно-перпендикулярно на противоположных краях одной стороны перемычки в зонах наибольшего сжатия и растяжения четырех тензорезисторов (8), объединенных в мостовую схему. Технический результат: повышение чувствительности, увеличение добротности колебательной системы и снижение потребляемой мощности преобразователя. 5 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 [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].

Недостатком аналога 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.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является 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, 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 [Патент 2431815 RU. Резонансный преобразователь давления; опубл. 20.10.2011].

Недостатком прототипа является низкая чувствительность, обусловленная применением для преобразования одиночного тензорезистора, невысокая добротность колебательной системы и большая потребляемая мощность, обусловленная применением в качестве колебательного элемента резонатора плоско-параллельной пластины.

Изобретение направлено на увеличение добротности, повышение чувствительности и снижение потребляемой мощности преобразователя.

Согласно изобретению, в резонансном преобразователе давления, содержащем кремниевую мембрану, предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором, выполненным в виде рамки, внутри которой на перемычках подвешен колебательный элемент с напыленной на его поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен преобразователь деформации, обеспечивающий восприятие деформации при колебаниях колебательного элемента, два постоянных магнита, обеспечивающих действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, колебательный элемент резонатора выполнен в виде внутренней рамки, преобразователь деформации выполнен из расположенных попарно-перпендикулярно на противоположных краях одной стороны перемычки в зонах наибольшего сжатия и растяжения четырех тензорезисторов, объединенных в мостовую схему.

Введение предложенной конструкции, включающей резонатор, выполненный в виде внешней рамки, внутри которой на перемычках подвешен колебательный элемент в виде внутренней рамки с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен преобразователь деформации, состоящий из расположенных попарно-перпендикулярно на противоположных краях одной стороны перемычки в зонах наибольшего сжатия и растяжения четырех тензорезисторов, объединенных в мостовую схему и обеспечивающих восприятие продольной и поперечной деформации сжатия и растяжения перемычки при колебаниях пластины, позволяет повысить чувствительность за счет того, что преобразователь деформации представляет собой мостовую схему, выходной сигнал которой вчетверо выше выходного сигнала преобразователя деформации в виде одиночного тензорезистора. Также введение предложенной конструкции позволяет повысить добротность и снизить потребляемую мощность за счет исполнения колебательного элемента резонатора в виде внутренней рамки.

Предлагаемое устройство поясняется на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

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 внешней рамки, внутри которой на перемычках (4, 5) подвешен колебательный элемент в виде внутренней рамки (6) с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой (7), которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен преобразователь деформации, состоящий из расположенных попарно-перпендикулярно на противоположных краях одной стороны перемычки в зонах наибольшего сжатия и растяжения четырех тензорезисторов (8), объединенных в мостовую схему и обеспечивающих восприятие продольной и поперечной деформации перемычки при колебаниях внутренней рамки (6).

На фиг. 3 изображен фрагмент перемычки (4) с расположенным на ней преобразователем деформации, состоящим из расположенных попарно-перпендикулярно на противоположных краях одной стороны перемычки в зонах наибольшего сжатия и растяжения четырех тензорезисторов (8), поясняющий конструкцию и принцип действия преобразователя деформации.

На фиг. 4 и фиг. 5 изображены колебательный элемент в виде плоскопараллельной пластины и колебательный элемент в виде внутренней рамки соответственно с условными обозначениями геометрических размеров, необходимых для пояснения увеличения добротности предложенной конструкции по сравнению с прототипом.

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Переменный ток, протекающий в напыленной на поверхности внутренней рамки проводящей дорожке, взаимодействуя с магнитным полем постоянных магнитов, вызывает силы Лоренца, приложенные к проводящим участкам дорожки, расположенным перпендикулярно направлению магнитного поля и направленным в противоположные стороны перпендикулярно плоскости внутренней рамки. Поскольку силы Лоренца направлены в противоположные стороны и меняют свое направление в соответствии с частотой переменного тока, то они вызывают знакопеременный крутящий момент, приложенный к продольной оси внутренней рамки, который заставляет ее совершать крутильные колебания на кремниевых перемычках (подвесах) на резонансной частоте. Измеряемое давление, воздействуя на внешнюю рамку резонатора, растягивает или сжимает перемычки, на которых подвешена внутренняя рамка резонатора, изменяя тем самым их жесткость, а следовательно, и резонансную частоту колебаний внутренней рамки с расположенными на ней попарно-перпендикулярно тензорезисторами, объединенными в мостовую схему. Частота выходного напряжения мостовой схемы пропорциональна изменению измеряемого давления. Исполнение колебательного элемента в виде внутренней рамки повышает добротность и снижает потребляемую мощность, затрачиваемую на возбуждение колебаний за счет уменьшения площади колебательного элемента.

Колебания характеризуются акустическим сопротивлением среды Ra, определяемым формулой

где νc - скорость продольной волны в среде,

ρc - плотность среды,

S - площадь поверхности колебательного элемента.

В газовой среде плотность ρc определяется давлением газа p, молекулярным весом µ и абсолютной температурой T по формуле

где R - универсальная газовая постоянная.

Скорость волны определяется выражением

где γ - соотношение удельных теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме.

Соответственно, для колебаний в газе акустическое сопротивление среды (1) с учетом (2) и (3) будет выражаться формулой

Добротность является одной из основных характеристик колебательной системы, которая определяется отношением энергии, накопленной в колебательной системе, к энергии, которую расходует система за один период колебания. Для механического колебательного элемента добротность Q определяется формулой [Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.]

где M - масса колебательного элемента,

b - ширина колебательного элемента,

ω - резонансная частота колебаний колебательного элемента.

С учетом (4) добротность будет выражаться формулой

Для колебательного элемента, использованного в прототипе, с учетом геометрических размеров резонатора (фиг. 4) добротность Q1 будет определяться формулой

где ρ - плотность материала колебательного элемента (кремния),

h - толщина колебательного элемента.

Предложенная конструкция колебательного элемента позволяет повысить добротность колебательной системы и снизить потребляемую мощность.

Для предложенной конструкции колебательного элемента (фиг. 5) добротность Q2 будет определяться формулой

Отношение добротностей предложенной конструкции (8) и прототипа (7) при условии постоянства параметров воздушной среды, в которой происходят колебания, будут определяться формулой

При учете того, что выполняются условия

L>b

b>b1,

выражение (9) всегда будет больше 1, в частности, при ширине рамки колебательного элемента, не превышающей 10% от ширины пластины, добротность предложенной конструкции Q2 возрастет более, чем на порядок.

Уравнение движения резонатора имеет следующий вид:

,

где Jγ - осевой момент инерции резонатора,

bγ - коэффициент демпфирования резонатора,

Gγ - жесткость упругих подвесов резонатора,

M0 sin pt - момент привода, развиваемый силами Лоренца,

M0 - амплитуда момента привода,

p - частота момента привода,

t - время,

γ - угол поворота колебательного элемента [Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2007. - 400 с.].

Момент инерции резонатора Jγ зависит от его массы. В предложенной конструкции, содержащей колебательный элемент в виде внутренней рамки, момент инерции будет меньше, чем в прототипе, так как масса рамки значительно меньше массы плоскопараллельной пластины при одинаковых габаритных размерах и толщине. Следовательно, при одинаковой жесткости упругих подвесов момент привода при неизменной частоте колебаний также будет значительно меньшим.

Амплитуда момента привода M0 определяется произведением силы Лоренца на плечо, равное половине ширины колебательного элемента. При одинаковом плече для прототипа и предложенной конструкции снижение момента привода будет означать снижение силы Лоренца F, которая определяется выражением

F=eνB sinα,

где e - заряд электрона, ν - скорость движения электронов, B - магнитная индукция, α - угол между направлениями векторов скорости и магнитной индукции [Элементарный учебник физик: Учеб. пособие. В 3 т. Т. 2. Электричество и магнетизм / Под. ред. Г.С. Ландсберга. - 16-е изд. - М.: ФИЗМАТ-ЛИТ, 2013. - 488 с.].

Следовательно, снижение силы Лоренца при неизменной магнитной индукции и скорости движения электронов будет означать снижение количества электронов, протекающих через поперечное сечение проводящей дорожки, то есть снижение протекающего через проводящую дорожку электрического тока. Так как проводящие дорожки представляют собой активную нагрузку, то мощность, потребляемая для возбуждения колебаний колебательного элемента от источника переменного напряжения, пропорциональна протекающему току, то есть в предложенной конструкции будет снижена потребляемая электрическая мощность.

Введение в предложенную конструкцию преобразователя деформации позволяет повысить чувствительность измерительного преобразования.

С преобразователя деформации, состоящего из четырех тензорезисторов, объединенных в мостовую схему, обеспечивающую восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины, снимается выходное напряжение переменного тока с частотой, равной частоте колебаний плоско-параллельной пластины при измеряемом давлении, и амплитудой, в четыре раза превышающей амплитуду выходного сигнала в прототипе. Указанное преимущество достигается за счет того, что особенностью монокристаллического кремния является равенство по модулю и противоположность по знаку продольного и поперечного коэффициента тензочувствтельности. Учитывая, что при крутильных колебаниях происходит как продольная, так и поперечная деформация, это позволяет расположить тензорезисторы попарно-перпендикулярно на одной стороне деформирующейся перемычки. Резисторы попарно перпендикулярны друг другу для восприятия продольных и поперечных деформаций перемычки и объединены в мостовую схему таким образом, что два противоположных резистора имеют коэффициент тензочувствительности с одинаковым знаком, а два смежных резистора имеют коэффициент тензочувствительности с разными знаками. Это позволяет получить полную (четырехплечую) мостовую схему, которая характеризуется вчетверо большей чувствительностью, чем одиночный тензорезистор [Гридчин В.А. Драгунов В.П. Физика микросистем. Новосибирск, 2004. - 416 с.].

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение чувствительности, увеличение добротности колебательной системы преобразователя и снижение потребляемой мощности.

Резонансный преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану, предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором, выполненным в виде рамки, внутри которой на перемычках подвешен колебательный элемент с напыленной на его поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен преобразователь деформации, обеспечивающий восприятие деформации при колебаниях колебательного элемента, два постоянных магнита, обеспечивающих действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, отличающийся тем, что колебательный элемент резонатора выполнен в виде внутренней рамки, преобразователь деформации выполнен из расположенных попарно-перпендикулярно на противоположных краях одной стороны перемычки в зонах наибольшего сжатия и растяжения четырех тензорезисторов, объединенных в мостовую схему.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оборудованию для гранулирования измельченного полуфабриката растительного происхождения. Прессующий ролик пресс-гранулятора содержит обечайку, подшипники качения, торцевые крышки для фиксации обечайки относительно наружных колец подшипников и измеритель нормальных напряжений на рабочей поверхности ролика.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения давления на основе тензомостового интегрального преобразователя давления в широком диапазоне рабочих температур.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления, массы, деформаций и напряжений. Устройство содержит тензорезисторы, которые размещены в контролируемых точках объекта и соединены с внешними конденсаторами в фазирующую RC-цепочку, образуя совместно с усилителем генератор гармонических колебаний, соединенный через преобразователь частота-код и микроконтроллер, программа которого снабжена градуировочной характеристикой зависимости частоты от контролируемой массы или деформации, с цифровым индикатором.

Изобретение относится к оборудованию для гранулирования предварительно измельченных материалов и может быть использовано для определения напряженного состояния в клиновидном рабочем пространстве вальцово-матричных пресс-грануляторов.

Способ настройки термоустойчивого датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы относится к области измерительной техники и предназначен для измерения давления при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический волоконно-оптический датчик давления выполнен на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса.

Датчик давления с нормализованным или цифровым выходом содержит корпус с установленными в нем чувствительным элементом давления (ЧЭД) с кристаллом интегральной микросхемы преобразователя давления (ИПД) и контактными площадками, кристалл интегральной микросхемы (ИС) преобразователя сигнала ИПД, защитную крышку ЧЭД и ИС, выходные контакты, средства электрических соединений ЧЭД, ИС и выходных контактов и по меньшей мере один канал в корпусе для подвода давления среды.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в системах измерения, контроля и управления. Датчик абсолютного давления содержит корпус со штуцером, металлическую мембрану, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость полупроводниковому чувствительному элементу, выполненному в виде профилированного монокристалла кремния плоскости (100) с квадратной мембраной, соединенного электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием, на плоской поверхности профилированного монокристалла сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения давления жидких и газообразных сред в условиях воздействия нестационарных температур измеряемой среды. Термоустойчивый датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения с кольцевой проточкой. На мембране образована гетерогенная структура из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, соединенные перемычками, включенные в измерительный мост. Центры окружных и радиальных тензоэлементов расположены по окружности, радиус которой определен по соотношению: r(x)=(0,744-0,0476·cos(4,806x)-0,07482·sin(4,806х)-0,01826·cos(9,612х)+0,005405·sin(9,612х))·rм, где x = r 0 r м - отношение радиуса жесткого центра r0 к радиусу мембраны rм, при этом радиус периферийного основания определен по соотношению: rп=1,28rм. Техническим результатом изобретения является повышение точности путем повышения устойчивости к воздействию термоудара при одновременном уменьшении нелинейности мостовой измерительной цепи датчика и обеспечении высокой чувствительности. 6 ил.
Наверх