СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ ДАТЧИКОМ С ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОВ И ДАТЧИК ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2015 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано 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.

Изобретение может быть использовано 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 способ измерения разности давлений датчиками с частотно-модулированным выходным сигналом. 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.

Известен способ измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом (патент ЕРО 456029 А1) [2], по которому используют мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, возбуждают колебания резонаторов и формируют выходной сигнал.

Известен также микромеханический датчик давления с частотно-модулированным выходным сигналом по указанному патенту [2], содержащий корпус, кремниевую мембрану с эпитаксиально выращенными на ней в едином технологическом процессе резонаторами и вакуумирующими их капсулами для обеспечения достаточно 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 способ и конструкцию ближайшего аналога нетехнологичной, поскольку применяемый процесс является одним из наиболее сложных среди применяемых в технологии микросистем.

Предлагаемые способ и 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 предлагаемых способе и 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 дополнительного капсулирования (замкнутых капсул), которое применяется в прототипе.

Таким образом, сущность изобретения можно сформулировать так.

Способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом, по которому используют мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, возбуждают колебания резонаторов и формируют выходной сигнал, отличающийся тем, что дополнительно вводят мембрану с резонаторами с возможностью образования вакуумированного промежутка.

Датчик измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, реализующий способ по п. 1, содержащий мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов с постоянным магнитом и систему формирования выходного сигнала, отличающийся тем, что обе мембраны с резонаторами разделены вакуумированным промежутком и образуют корпус.

Изобретение 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 чертежах 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.

На чертежах представлен предлагаемый датчик. Он 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 ЕРО 456029 A1, G01L 11/00, заявка №91106472.3, заявл. 23.04.1991, опубл. 13.11.1991.

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано самостоятельно или в составе измерительно-вычислительных комплексов и систем управления. Способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом заключается в том, что используют две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, разделенные вакуумированным промежутком. Датчик измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом содержит полый корпус, две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов с постоянным магнитом и систему формирования выходного сигнала, разделенные вакуумированным промежутком. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции датчика и повышение технологичности его изготовления. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом, по которому используют мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, возбуждают колебания резонаторов и формируют выходной сигнал, отличающийся тем, что дополнительно вводят мембрану с резонаторами с возможностью образования вакуумированного промежутка.

2. Датчик измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, реализующий способ по п. 1, содержащий мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов с постоянным магнитом и систему формирования выходного сигнала, отличающийся тем, что обе мембраны с резонаторами разделены вакуумированным промежутком и образуют корпус.