ДАТЧИК ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 2000 года по МПК G01L1/14 

Изобретение относится к области создания датчиков на основе технологий микроэлектроники и вакуумной электроники.

Развитие информационных, контрольно-измерительных и управляющих систем, автоматизация и широкое распространение микропроцессорных технологий в промышленности и бытовой технике требует расширения номенклатуры надежных и недорогих датчиков с высокими метрологическими и функциональными характеристиками. Применение различных технологий микроэлектроники позволяет улучшить основные технические характеристики датчиков, повысить их надежность, уменьшить массу, размер, энергопотребление и стоимость [1, 2].

Большую часть рынка занимают датчики физических величин: датчики микросмещения, давления и силы, акселерометры, а также сенсоры магнитного поля.

Известны датчики физических величин [1], в которых в качестве первичного преобразователя выступают мембранные или балочные тензопреобразователи, принцип работы которых основан на изменении сопротивления (и некоторых других электрических характеристик) при деформации активного элемента. Ограничением чувствительности является малая величина изменения тензосопротивления. Датчик состоит из чувствительного элемента и подсоединенных к нему контактов. Типичные смещения, которые необходимы для надежного измерения, например давления в диапазоне 0,1 - 0,7 атм, составляют величину 20 - 120 мкм. Это накладывает довольно жесткие ограничения на материал, размеры и время жизни мембран.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности датчика и расширение области применения.

Предлагаемый датчик физических величин содержит чувствительный элемент и подсоединенные к нему контакты, при этом чувствительный элемент выполнен в виде одного из электродов эмиссионного диода, состоящего из герметичной вакуумированной камеры и расположенных напротив друг друга анода и холодноэмиссионного катода, с соответственно подсоединенными к ним контактами.

Электрод может быть выполнен мембранного типа в виде плоской мембраны, являющейся стенкой камеры, или балочного типа в виде стержня, закрепленного с одного конца.

Плоская мембрана может быть выполнена анодом с известным модулем упругости или анодом из магниточувствительного материала. Плоская мембрана может быть выполнена в виде холодноэмиссионного катода.

При выполнении чувствительного элемента в виде стержня с известным модулем упругости, закрепленного с одного конца он может быть выполнен в виде анода или в виде холодноэмиссионного катода с пленочным эмиттером, расположенным на торце стержня, при этом анод расположен напротив торца стержня.

Стержень, выполненный в виде анода, может быть расположен в центре камеры, а по перферии камеры по крайней мере еще один холодноэмиссионный катод.

В предлагаемом датчике для регистрации изгиба чувствительного элемента используется резкая зависимость тока полевой эмиссии от напряженности электрического поля, которая, в свою очередь, при фиксированном напряжении обратно пропорциональна расстоянию катод - анод. При зазоре анод - катод в несколько микрон ток эмиссии будет изменяться на порядок при изменении зазора на доли микрона, что позволит резко увеличить чувствительность датчиков.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2 представлены конструкции датчика с чувствительным элементом, выполненным в виде мембраны, на фиг. 3 представлена конструкция датчика с чувствительным элементом, выполненным в виде стержня, на фиг. 4 приведены типичные зависимости тока полевой эмиссии от напряженности электрического поля.

Датчик, представленный на фиг. 1, состоит из корпуса 1, холодноэмиссионного катода 2 и анода 3, выполненного в виде мембраны. Мембрана является стенкой камеры. Сама мембрана или ее поверхность, обращенная к катоду должна быть проводящей. Между катодом и анодом (мембраной) подается разность потенциалов такая, чтобы обеспечивать напряженность электрического поля у катода вблизи порога эмиссии. Мембрана может быть выполнена с известным модулем упругости.

Датчик работает следующим образом. При приложении силы F к мембране она изгибается, расстояние катод - анод уменьшается, напряженность электрического поля у катода возрастает, что приводит к резкому росту тока эмиссии (согласно характеристике, приведенной на фиг. 3), а значит и тока в системе регистрации, что и является характеристикой величины приложенной силы.

Источником такой силы может быть давление газа или жидкости, давление контрольной массы при ускорении, давление контрольного стержня при изменении его длины в результате нагрева и т.д.

Выполнение мембраны из магниточувствительного материала позволяет регистрировать магнитные поля. В этом случае изгиб мембраны происходит под действием магнитного поля.

В случае когда невозможно или неудобно использовать упругие параметры мембраны, то величина внешнего воздействия может быть перерассчитана по коэффициенту упругости специальных спейсеров 1 в конструкции, представленной на фиг. 2, где 2 - полевой катод, 3 - анодная мембрана.

На фиг. 3 представлена конструкция датчика, который состоит из холодноэмиссионного катода или нескольких катодов 1, корпуса 2 и анода 3, выполненного в виде стержня, закрепленного с одного конца. К свободному концу стержня может быть дополнительно прикреплена заданная масса. Катоды расположены по периферии камеры. Датчик работает следующим образом. При ускорении силы инерции приводят к изгибу стержня. При этом меняется расстояние между анодом (стержнем) и катодами, что приводит при фиксированном напряжении между ними к возрастанию тока на одних катодах и падению на других. Простая обработка токового сигнала с каждого катода позволяет вычислить вектор ускорения.

Конструкционные решения легко могут быть продолжены, например с использованием сильфонов при жестком аноде или с гибким катодом.

Таким образом, возможно построение широкого круга датчиков на основе использования холодноэмиссионных катодов.

Литература
1. Галушков А. И., Зимин В.Н., Чаплыгин Ю.А., Шелепин Н.А. Электронная промышленность, 1995, N 4-5, с. 95.

2. Стучебников В.М. Приборы и системы управления, 1993, N 1.

Изобретение предназначено для создания датчиков на основе технологий микроэлектроники и вакуумной электроники. Датчик содержит чувствительный элемент с подсоединенными к нему контактами. Чувствительный элемент выполнен в виде одного подвижного электрода холодноэмиссионного диода. Холодноэмиссионный диод состоит из вакуумированной камеры и размещенных в ней напротив друг друга анода и холодноэмиссионного катода. Электрод может быть выполнен мембранного типа в виде плоской мембраны, являющейся стенкой камеры, или балочного типа в виде стержня, закрепленного с одного конца. Технический результат - повышение чувствительности датчика и расширение области применения. 11 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Датчик физических величин, содержащий чувствительный элемент и подсоединенные к нему контакты, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде одного подвижного электрода холодноэмиссионного диода, а холодноэмиссионный диод состоит из вакуумированной камеры и размещенных в ней напротив друг друга анода и холодноэмиссионного катода. 2. Датчик физических величин по п.1, отличающийся тем, что подвижный электрод выполнен в виде плоской мембраны, являющейся стенкой вакуумированной камеры. 3. Датчик физических величин по п.2, отличающийся тем, что плоская мембрана выполнена с известным модулем упругости. 4. Датчик физических величин по п.2, отличающийся тем, что плоская мембрана выполнена из магниточувствительного материала. 5. Датчик физических величин по любому из пп.2 - 4, отличающийся тем, что плоская мембрана является анодом. 6. Датчик физических величин по п.2 или 3, отличающийся тем, что плоская мембрана выполнена в виде холодноэмиссионного катода. 7. Датчик физических величин по п.1, отличающийся тем, что подвижный электрод выполнен в виде стержня, закрепленного с одного конца. 8. Датчик физических величин по п.1 или 7, отличающийся тем, что стержень выполнен с известным модулем упругости. 9. Датчик физических величин по п.7 или 8, отличающийся тем, что стержень является анодом. 10. Датчик физических величин по п.7 или 8, отличающийся тем, что стержень выполнен в виде холодноэмиссионного катода с пленочным эмиттером, расположенным на торце стержня, при этом анод расположен напротив торца стержня. 11. Датчик физических величин по п.9, отличающийся тем, что анод расположен в центре вакуумированной камеры, а по периферии камеры расположен по крайней мере еще один холодноэмиссионный катод. 12. Датчик физических величин по любому из пп.1 - 11, отличающийся тем, что холодноэмиссионный катод выполнен в виде алмазного нанокристаллического эмиттера.