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 систем транспортировки жидкостей, газов, в системах подачи топлива, в двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, инженерных сетях различного назначения, в бытовой технике. Предложен датчик измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, содержащий полый корпус, две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов и систему формирования выходного сигнала, характеризующийся тем, что монокристаллические мембраны с резонаторами разделены вакуумированным промежутком. Датчик работает следующим образом. Под действием сил давления происходит деформация мембран 2, приводящая к растяжению или сжатию резонаторов 3, 4 и изменению их резонансных частот пропорционально измеряемым давлениям. 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 систем транспортировки жидкостей, газов, в системах подачи топлива, в двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, инженерных сетях различного назначения, в бытовой технике.

Известен датчик с частотно-модулированным выходным сигналом, кремниевые резонаторы которого 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.

Известен также микромеханический датчик давления с частотно-модулированным выходным сигналом по патенту EPO456029 A1 [2], содержащий корпус, кремниевую мембрану с эпитаксиально выращенными на ней в едином технологическом процессе резонаторами и вакуумирующими их капсулами для обеспечения достточно 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 без применения операций соединения методами эпитаксиального наращивания и селективного травления. Решение по данному патенту выбрано в качестве ближайшего аналога.

Однако, сложность процесса изготовления пары «резонатор-капсула» и вакуумирования пространства внутри капсулы делает конструкцию ближайшего аналога нетехнологичной, поскольку применяемый процесс является одним из наиболее сложных среди применяемых в технологии микросистем.

Предлагаемая конструкция датчика не требуют применения вакуумирующих капсул, как у прототипа, что существенно упрощает конструкцию и делает ее намного технологичней, при сохранении высоких метрологических характеристик и добротности резонатора.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом датчике с частотно-модулированным выходным сигналом в полом корпусе содержится чувствительный элемент - две кремниевые монокристаллические мембраны с эпитаксиально выращенными на ней вторичными измерительными элементами - резонаторами, разделенные вакуумированным промежутком, обеспечивающим требуемый уровень добротности механической колебательной системы без использования вакуумирующих замкнутых капсул, которые использованы в прототипе.

Таким образом сущность полезной модели можно сформулировать так.

Датчик измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, содержащий полый корпус, две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами (монокристаллическими мембранами), систему возбуждения колебаний резонаторов и систему формирования выходного сигнала, характеризующийся тем, что датчик имеет две независимые монокристаллические мембраны с резонаторами, разделенные вакуумированным промежутком.

Решение иллюстрируется на чертежах: фиг. 1 - конструктивное исполнение датчика, фиг. 2 - разрез фиг. 1 по линии А-А (увеличенный масштаб), фиг. 3 - функциональна схема датчика. На фигурах цифрами обозначено: 1 - корпус датчика, 2 - идентичные кремниевые мембраны 2, с резонаторами 3, 4, постоянный магнит 5 с магнитопроводом 6; система возбуждения резонаторов 7, система съема и обработки сигнала 8.

Предлагаемый датчик содержит полый корпус 1, чувствительный элемент - две независимые идентичные кремниевые мембраны 2 с резонаторами 3, 4. Возбуждение собственных колебаний резонатора осуществляется в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 5, с магнитопроводом 6, находящимся в вакуумированном пространстве между мембранами, с магнитным полем тока, пропускаемого через балки резонаторов.

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

Разность давлений определяется сравнением резонансных частот резонаторов каждой мембраны, при этом собственные колебания резонаторов обеспечиваются силой Ампера, возникающей при взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и тока в балке возбуждения резонатора.

Датчик может выполняться как в защищенном, так и незащищенном вариантах, а также может использоваться как датчик 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 измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, содержащий полый корпус, две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов с постоянным магнитом и систему формирования выходного сигнала, отличающийся тем, что монокристаллические мембраны с резонаторами разделены вакуумированным промежутком.