ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 1997 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (линейных перемещений, температуры, механических колебаний, скорости потока и др.) в электрический сигнал.

Известны чувствительные элементы на основе тензо- и терморезисторов, используемые для преобразования различных физических величин в электрический сигнал [1] Недостатком таких чувствительных элементов является то, что выходные сигналы чувствительных элементов (ток или напряжение), передаваемые по проводным линиям связи, чувствительны к влиянию электромагнитных волн, что исключает возможность их эффективного использования в условиях воздействия электромагнитных помех.

От указанных недостатков свободны чувствительные элементы на основе волоконных световодов, осуществляющие преобразование измеряемой физической величины в оптический сигнал [2]
Наиболее близким к предлагаемому волоконно-оптическому чувствительному элементу является чувствительный элемент, содержащий основание, приемный и передающий волоконные световоды, торцы которых расположены напротив друг друга, при этом передающий световод закреплен на неподвижном основании, а приемный скреплен с инерционной массой [2, с.151, 152]
К недостаткам данной конструкции чувствительного элемента следует отнести следующие:
низкая технологичность, приводящая к усложнению процесса изготовления и удорожанию конструкции чувствительного элемента;
ограниченные функциональные возможности чувствительного элемента, приводящие к невозможности измерения, например, таких параметров, как температура, скорость потока;
низкие технические характеристики (чувствительность, точность), характерные для устройства этого класса.

Задача изобретения заключается в исключении указанных выше недостатков и улучшении характеристик.

Это достигается тем, что неподвижное основание и инерционная масса выполнены из одной монолитной пластины так, что инерционная распределенная масса сформирована в виде балки, вырезанной из пластины с помощью трех прямоугольных сквозных щелевых отверстий. При этом на балке и неподвижном основании имеются две канавки, одна из которых проходит вдоль балки и содержит закрепленный в ней приемный подвижной световод, а другая, являясь продолжением первой, проходит через неподвижное основание и содержит второй неподвижный передающий световод.

Выполнение инерционной массы в виде балки и формирование неподвижного основания из одной и той же монолитной пластины повышает технологичность конструкции, т.к. неподвижное основание и балка могут быть выполнены с помощью одной технологической операции травления через одну защитную маску. Технологичность изготовления чувствительного элемента повышается также и за счет того, что процесс сборки сводится к одной операции укладке (закреплению) световодов в канавках, например, с помощью эпоксидного компаунда, при этом надежно обеспечивается позиционирование световодов, что значительно упрощает юстировку.

В качестве примера рассмотрим предлагаемый волоконно-оптический чувствительный элемент (ВОЧЭ), функционирующий в поле ускорения, действующего перпендикулярно балке.

Под действием ускорения свободный конец балки совершает малые линейные перемещения.

Рассмотрим основные характеристики ВОЧЭ:
диапазон измерения входных воздействий;
минимально детектируемое воздействие (чувствительность);
амплитудно-частотные характеристики.

Взаимосвязь входного воздействия (ускорения) g и отклонения свободного конца балки V, вызванного этим воздействием, описывается выражением

где q интенсивность распределенной нагрузки, кГ/с;
l длина балки, м;
E модуль продольной упругости, кГ/м²;
a осевой момент инерции поперечного сечения относительно продольной оси, м⁴;
b толщина балки в той ее части, которая соединена с монолитной пластиной.

Из выражения (1) следует, что основные характеристики ВОЧЭ, чувствительность и диапазон измерений будут определяться геометрическими размерами балки и параметрами материала, из которого она изготовлена.

При некоторых реальных значениях параметров бакли (l 7 мм, a 300 мкм), изготовленной из кремния при максимальной величине ускорения g 200 м/с² получим
V_max 10^-1 мкм.

Очевидно, что изменения технических характеристик ВОЧЭ возможно путем уменьшения или увеличения соответствующих значений параметров в выражении (1), т. е. a, b, l.

В данном изобретении предлагается новый путь улучшения характеристик ВОЧЭ, при котором геометрические размеры балки не меняются.

Это достигается посредством создания концентратора напряжений (прорези).

Тогда выражение (1) примет вид

где ρ удельный вес материала балки;
a₀ толщина свободного конца балки;
b ширина балки;
a толщина балки в сечении прорези.

Из выражения (2) следует, что, если на балке имеется прорезь глубиной a₀-a, то максимальное отклонение свободного конца балки будет равно

В отсутствие прорези, т. е. при a₀=a, максимальное отклонение свободного конца балки будет равно
,
Отсюда следует, что

Из формулы (3) следует, что максимальное отклонение балки с прорезью тем больше максимального отклонения балки без прорези, чем больше отношение (a₀/a)³.

Чтобы увеличить отклонение балки толщиной 300 мкм от 0,1 мкм до 25 мкм, т. е. в 250 раз, на балке необходимо нанести прорезь, глубина которой a₀-а, определиться из соотношения
,
и составит a₀ 250 мкм.

Таким образом, предлагаемое конструктивное решение ВОЧЭ позволяет увеличить его чувствительность на 2 3 порядка.

При выбранном значении параметров следует учитывать частоту ω собственных колебаний и максимально допустимое напряжение балки при изгибе s у основания, которые связаны с a соотношением
,
Из выражения (4) следует, что ω и σ зависят от a, как от параметра в первой степени, что не внесет существенных ограничений при выборе V_maxa, зависящего от a, как от параметра в третьей степени.

Возможность создания прорези произвольной глубины открывает возможность разработки ВОЧЭ с различными чувствительностью и диапазоном измерения входного воздействия.

Кроме того, представляется возможной разработка измерительного устройства, содержащего несколько ВОЧЭ на одной пластинке, характеристики которых различны, что позволяет контролировать входной параметр, например ускорение, в различных диапазонах и с различной чувствительностью и точностью. При этом ВОЧЭ пространственно могут быть размещены произвольно: по прямой, по окружности, в плоскости и т.д.

Помимо концентратора в ВОЧЭ могут быть предусмотрены сквозные отверстия, расположенные со стороны соединения балки с основанием, симметрично относительно продольной оси балки.

Наличие в балке сквозных отверстий и концентратора напряжений (прорези) позволяет получать требуемые чувствительность и собственную частоту чувствительного элемента. Изменение параметров отверстий и прорези приводит к изменениям жесткости балки и, следовательно, изменениям чувствительности и собственной частоты.

Выполнение чувствительного элемента из монокристаллического кремния обеспечивает высокую воспроизводимость характеристик за счет высокой однородности исходного материала, высокую точность и одновременно низкую стоимость изготовления при использовании хорошо отработанных процессов микроэлектронной технологии. Указанные преимущества наиболее сильно проявляются при изготовлении миниатюрных чувствительных элементов.

Выполнение чувствительного элемента из двух пластин приводит к симметричной конструкции, которая менее чувствительна к воздействию дестабилизирующих факторов, позволяет получить симметричные характеристики преобразования и, кроме того, имеет повышенную надежность за счет более надежного крепления световодов.

Покрытие одной из сторон основания чувствительного элемента материалом, имеющим ТКЛР, отличный от ТКЛР материала основания, позволяет расширить функциональные возможности чувствительного элемента за счет использования его для преобразования температуры, причем принципиально возможно одновременное преобразование температуры и какого-либо другого параметра, например ускорения.

Выполнение чувствительного элемента с крышками обеспечивает демпфирование балки в воздушной среде (либо в специальной среде, например в инертном газе), ограничивает ход балки при перегрузках, кроме того, повышает надежность конструкции, т.к. защищает от воздействия внешней среды.

На чертеже изображена конструкция чувствительного элемента (из одной пластины),
Волоконно-оптический чувствительный элемент содержит балку 1, выполненную из пластины 2 и отделенную от нее тремя сквозными щелевыми отверстиями 3. На поверхности балки и основании имеются канавки 4, в которых закреплены приемный световод 6 и передающий световод 7. У основания балки имеется прорезь 5, выполненная перпендикулярно продольной оси балки.

Рассмотрим, каким образом происходит преобразование различных параметров при использовании предложенного чувствительного элемента.

Преобразование положения в пространстве ускорения. Чувствительный элемент закрепляют на объекте так, чтобы балка имела возможность хода в обе стороны, при этом может быть использован как чувствительный элемент из одной пластины, так и симметричный чувствительный элемент из двух пластин. При изменении положения объекта меняется направление составляющей ускорения, действующего на балку, в результате изменения изгиба балки меняется интенсивность оптического сигнала, проходящего передающего световода 6 в приемный световод 7, за счет изменения смещения торцов световодов относительно друг друга. Смещение минимально, если ускорение действует вдоль балки (балка расположена вертикально), и максимально, если ускорение направлено перпендикулярно плоскости балки (балка расположена горизонтально). При колебаниях объекта инерционные свойства балки вызывают ее колебания, при этом смещение торцов световодов и, следовательно, интенсивность проходящего оптического сигнала однозначно связаны с величиной ускорения объекта.

Преобразование параметров колебания среды. Чувствительный элемент помещают в среду, основание чувствительного элемента закрепляют. При возникновении в среде колебаний, например, звуковых колебаний в жидкости, возникают упругие колебания балки, приводящие к изменению интенсивности оптического сигнала, проходящего из передающего в приемный световод.

Преобразование скорости потока газа или жидкости. Чувствительный элемент помещают в поток так, чтобы положение плоскости основания было фиксировано относительно направления потока, при этом используют чувствительный элемент, показанный на чертеже. Под воздействием скоростного напора балка, которая может быть выполнена узкой по сравнению с шириной щелевого отверстия, изгибается, что приводит к изменению интенсивности оптического сигнала, поступающего в приемный световод.

Преобразование температуры. Используют чувствительный элемент, одна из сторон основания которого покрыта слоем материала, имеющего ТКЛР, отличный от ТКЛР материала основания (например, кремниевое основание со слоем металла). При изменении температуры среды, в которую помещен чувствительный элемент, происходит его деформация изгиб (чем больше отличие в значениях ТКЛР основания и покрытия, тем больше деформация), что приводит к смещению торцов световодов и, следовательно, к изменению интенсивности оптического сигнала. Возможно одновременное преобразование температуры и, например, ускорения при условии, что частотные спектры указанных параметров не перекрываются. В большинстве практических случаев изменения температуры имеют "медленный" характер по сравнению с изменениями ускорения. В таких случаях изменение температуры вызывает "медленное" изменение сдвига торцов световодов, на этом фоне происходят более высокочастотные колебания балки под действием ускорения, спектры которых не перекрываются, поэтому эти сигналы могут быть легко разделены (например, с помощью фильтрации после фотоэлектрического преобразования). При этом по параметрам "медленного" сигнала судят о температуре, а по параметрам "быстрого" об ускорении.

Таким образом, предлагаемая конструкция волоконно-оптического чувствительного элемента позволяет улучшить технические характеристики датчика, а именно увеличить чувствительность на 2 порядка, повысить технологичность конструкции и увеличить точность измерений.

Использование: в волоконно-оптических преобразователях физических величин (линейных перемещения, температуры, механических колебаний, скорости потока и др. ) в электрический сигнал. Сущность изобретения: волоконно-оптический чувствительный элемент для измерительных преобразователей физических величин содержит неподвижное основание, приемный и передающий волоконные световоды, один из которых закреплен на основании, а другой - скреплен с инерционной массой. Неподвижное основание и инерционная масса выполнены из одной монолитной пластины так, что инерционная масса отделена с трех сторон от основания с помощью трех прямоугольных сквозных пазов, а на балке и неподвижном основании имеются две канавки, одна из которых проходит вдоль балки и содержит закрепленный в ней приемный подвижной световод, а другая, являясь продолжением первой, проходит через неподвижное основание и содержит второй неподвижный передающий световод. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Чувствительный элемент для волоконно-оптических измерительных преобразователей физических величин, содержащий основание и инерционную массу, предназначенные, соответственно, для связи с передающим и приемным волоконными световодами, располагаемыми торцами напротив друг друга, отличающийся тем, что основание и инерционная масса выполнены из одной пластины таким образом, что одна из сторон пластины является для них общей, инерционная масса отделена с трех сторон от основания соответственно тремя прямоугольными сквозными пазами и имеет форму балки, а вдоль основания и балки выполнено по канавке, предназначенных для укладки в них соответствующего световода. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что вблизи стороны пластины, общей для основания и балки, инерционная масса выполнена с прорезью, ось которой перпендикулярна оси балки. 3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что пластина выполнена из монокристаллического кремния. 4. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что на одну из сторон основания нанесено покрытие из материала, тепловой коэффициент линейного расширения которого отличен от теплового коэффициента линейного расширения материала пластины.