Датчик с частотно-модулированным выходным сигналом

Полезная модель относится к приборостроению, может быть использована самостоятельно или в составе измерительно-вычислительных комплексов и систем управления, работающих в широком диапазоне механических и тепловых воздействий и предназначенных для получения информации о разности давлений исследуемых жидких и газообразных сред. Например, полезная модель может быть использована в измерительно-вычислительных комплексах для магистральных и внутренних трубопроводов, систем подачи топлива, в паровых и газовых турбинах, городских инженерных сетях, бытовой технике, медицинских системах, в космическом и авиационном оборудовании. Предложен датчик разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, который содержит полый корпус, две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов и систему формирования выходного сигнала. Датчик характеризуется тем, что внутри вакуумированной полости, образованной между мембранами, расположены токонесущий напыленный проводник, создающий магнитное поле для возбуждения собственных колебаний резонаторов, и резонаторы. Технический результат - упрощение конструкции датчика и повышение технологичности его изготовления, при сохранении высоких метрологических характеристик и добротности резонатора. 1 н.п. ф-лы, 3 илл.

Полезная модель относится к приборостроению, может быть использована самостоятельно или в составе измерительно-вычислительных комплексов и систем управления, работающих в широком диапазоне механических и тепловых воздействий и предназначенных для получения информации о разности давлений исследуемых жидких и газообразных сред.

Например, полезная модель может быть использована в измерительно-вычислительных комплексах для магистральных и внутренних трубопроводов, систем подачи топлива, в паровых и газовых турбинах, городских инженерных сетях, бытовой технике, медицинских системах, в космическом и авиационном оборудовании.

Известен датчик с частотно-модулированным выходным сигналом, в котором кремниевые резонаторы обладают одинаковыми формой, размерами и идентичными механическими характеристиками, эпитаксиально выращены на рабочих поверхностях мембран.

Известен патент США 4841775 [1], содержащий датчик разности давлений, выполненный в виде единого кремниевого кристалла, включающего диод и транзистор, резонансные измерительные преобразователи.

Известен датчик с частотно-модулированным выходным сигналом (патент EPO 456029 A1) [2], по которому используют две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, в которых формируется частотно-модулированный выходной сигнал.

Микромеханический датчик давления с частотно-модулированным выходным сигналом по указанному патенту [2], содержит корпус, кремниевую мембрану с эпитаксиально выращенными на ней в едином технологическом процессе резонаторами и вакуумирующими их капсулами для обеспечения требуемого высокого уровня добротности механической колебательной системы, систему возбуждения колебаний с постоянным магнитом, систему формирования выходного сигнала.

Этот датчик обладает достаточно высокими метрологическими характеристиками, поскольку мембрана, резонаторы и капсула являются фрагментами одного монокристалла и изготовлены методом эпитаксиального наращивания и селективного травления. Решение по данному патенту выбрано в качестве ближайшего аналога.

Однако, сложность процесса изготовления пары «резонатор-капсула» и размещения в корпусе магнита и магнитопровода системы возбуждения резонатора делает конструкцию ближайшего аналога нетехнологичной.

Предлагаемые способ и конструкция датчика давления не требуют применения системы возбуждения с постоянным магнитом, как у прототипа, что существенно упрощает конструкцию и делает ее" намного технологичней, при сохранении высоких метрологических характеристик и добротности резонатора.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом датчике разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом в полом корпусе содержится чувствительный элемент - две кремниевые монокристаллические мембраны с эпитаксиально выращенными на них вторичными измерительными преобразователями - резонаторами, разделенными вакуумированной полостью, обеспечивающим требуемый уровень добротности колебательной системы без дополнительного капсулирования, и напыленный на диэлектрический кронштейн проводник, магнитное поле тока в котором взаимодействует с магнитным полем тока в балке возбуждения резонатора, генерирующий в нем механические колебания.

Таким образом, сущность полезной модели можно сформулировать так.

Датчик разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом содержит полый корпус, две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов и систему формирования выходного сигнала. Датчик характеризуется тем, что внутри вакуумированной полости, образованной между мембранами, расположены токонесущий напыленный проводник, создающий магнитное поле для возбуждения собственных колебаний резонаторов, и резонаторы.

Решение представлено на чертежах: фиг.1 - разрез датчика, фиг.2 - увеличенный разрез датчика, фиг.3 - функциональна схема датчика. На фигурах цифрами обозначено:

1 - корпус датчика, 2 - идентичные кремниевые мембраны с резонаторами 3, 4, проводник 5, система возбуждения резонаторов 6, система съема и обработки сигнала 7.

На указанных фигурах датчик разности давления включает корпус 1, чувствительный элемент - две идентичные кремниевые мембраны 2, вторичные измерительные преобразователи - резонаторы 3, 4, проводник 5, систему возбуждения резонаторов 6, систему съема и обработки сигнала 7.

Датчик работает следующим образом. Под действием сил давления происходит деформация мембран 2, приводящая к растяжению резонаторов 3, 4 и изменению резонансных частот, пропорционально измеряемым давлениям.

Разность давлений определяется сравнением резонансных частот резонаторов каждой мембраны 2, при этом собственные колебания резонаторов 3,4 возбуждаются силой Ампера, возникающей при взаимодействии магнитных полей токов в напыленном проводнике и балке резонатора.

Датчик может выполняться как в защищенном, так и в незащищенном вариантах, а также применяться в режиме измерения абсолютного давления.

Источники информации

1. Патент США 4841775, G01L 9/00, G01L 011/00, заявл. 19.01.1988, опубл.27.06.1989.

2. Европейский патент EPO 456029 A1, G01L 11/00, заявка 91106472.3, заявл. 23.04.1991, опубл. 13.11.1991.

Датчик разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, содержащий полый корпус, две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, систему возбуждения собственных колебаний резонаторов и систему формирования частотно-модулированного выходного сигнала, отличающийся тем, что внутри вакуумированной полости, образованной между мембранами, расположены токонесущий напыленный проводник, создающий магнитное поле для возбуждения собственных колебаний резонаторов, и резонаторы.