×
12.01.2017
217.015.5ca0

АМПЛИТУДНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002589946
Дата охранного документа
10.07.2016
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области сенсорной электроники и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, в медицине. Заявленный амплитудный волоконно-оптический сенсор давления содержит кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, передающее излучение от внешнего источника и закрепленное на мембранном упругом элементе с возможностью перемещения только вместе с его жестким центром пропорционально измеряемому давлению, и один фотоприемник. При этом в заявленное устройство введены дополнительный фотоприемник, зеркало и две параллельные кремниевые пластины, расположенные перпендикулярно мембранному упругому элементу. Кроме того, оба фотоприемника включены по дифференциальной схеме и расположены на одной кремниевой пластине, а на другой пластине размещено зеркало, которое представляет собой плоскую отражающую поверхность кристаллографической ориентации типа (100) с углублениями пирамидальной формы, стенки углублений сходятся в одной точке, а кристаллографическая ориентация стенок типа (111). Технический результат - повышение чувствительности и снижение нелинейности преобразовательной характеристики. 1 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Предлагаемое изобретение относится к области сенсорной электроники и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, медицине.

Известен амплитудный волоконно-оптический сенсор давления (журнал "Sensors and Actuators", А, №39 (1993 г.), стр. 49-54.), содержащий в качестве чувствительного элемента вертикальную кремниевую мембрану, изготовленную методами микромеханики, оптическое волокно в качестве проводящей свет среды, электронную схему обработки сигнала. Минимальный детектируемый сигнал для мембранного чувствительного элемента толщиной 4 мкм составляет в этом приборе 1 мкВ, что соответствует давлению 5 Па.

Однако для достижения такого результата необходимо дорогое одномодовое волокно, а также источник когерентного излучения (лазер).

Также известен амплитудный волоконно-оптический сенсор давления (журнал "Sensors and Actuators", А, №66 (1998 г.), стр. 150-154). Этот сенсор имеет оптическое волокно в качестве проводящей свет среды, в качестве чувствительного элемента - мембрану, изготовленную из золота и покрытую хромом, закрепленную на кремниевом основании, что приводит к дополнительным нелинейным искажениям вследствие разного температурного коэффициента линейного расширения материала чувствительного элемента и основания, на котором этот чувствительный элемент закреплен; исключается возможность изготовления чувствительного элемента и основания в едином технологическом цикле.

Сенсор имеет ограниченные функциональные возможности, так как может измерять только большие давления (более 0.5 МПа).

При необходимости измерить меньшие перепады давления (то есть повысить чувствительность сенсора при сохранении хороших метрологических характеристик) необходимо изменять форму чувствительного элемента. Все это приводит к увеличению погрешности измерений, что отрицательно сказывается на точности измерений, ухудшаются функциональные возможности сенсора.

Известен амплитудный волоконно-оптический сенсор давления (журнал "Sensors and Actuators", А, №32 (1992 г.), стр. 628-631), являющийся прототипом предлагаемого устройства, содержащий мембранный упругий элемент, изготовленный методами микромеханики (жидкостным анизотропным травлением), оптическое волокно, фотоприемник. Мембранный упругий элемент изготовлен из монокристаллического кремния и содержит толстую рамку, тонкую часть и жесткий центр. Оптическое волокно закреплено на жестком центре таким образом, что его ось находится в плоскости, параллельной плоскости мембранного упругого элемента. При этом оптическое волокно имеет возможность перемещаться только вместе с жестким центром мембранного упругого элемента.

В этой конструкции сенсора используется один фотоприемник, который изготовлен на толстой рамке в плоскости, параллельной плоскости мембранного упругого элемента. Это приводит к тому, что:

1) оптическое излучение падает на фотоприемник под неоптимальным углом (угол между направлением распространения оптического излучения и плоскостью, в которой расположен фотоприемник, составляет единицы градусов) и преобразовательная характеристика сенсора имеет немонотонный характер (возрастающий и ниспадающий участки и ярко выраженный максимум), следствием чего является большая нелинейность преобразовательной характеристики сенсора.

2) чувствительность сенсора, определяемая апертурой оптического волокна и расстоянием от торца оптического до фотоприемника, относительно мала.

Поэтому измерение давления при помощи такого сенсора может носить только качественный характер (можно измерить только наличие или отсутствие давления, но не его количественную величину).

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание амплитудного волоконно-оптического сенсора давления, имеющего более высокую чувствительность и более низкую нелинейность преобразовательной характеристики.

Это достигается тем, что в амплитудный волоконно-оптический сенсор давления, содержащий кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, передающее излучение от внешнего источника и закрепленное на мембранном упругом элементе с возможностью перемещения только вместе с его жестким центром пропорционально измеряемому давлению, и один фотоприемник, введены дополнительный фотоприемник, зеркало и две параллельные кремниевые пластины, расположенные перпендикулярно мембранному упругому элементу, при этом оба фотоприемника включены по дифференциальной схеме и расположены на одной кремниевой пластине, а на другой пластине размещено зеркало, которое представляет собой плоскую отражающую поверхность кристаллографической ориентации типа (100) с углублениями пирамидальной формы, стенки углублений сходятся в одной точке, а кристаллографическая ориентация стенок типа (111).

На чертеже приведен предлагаемый амплитудный кремниевый сенсор давления. Сенсор содержит: кремниевый мембранный упругий элемент (1) с жестким центром (2), оптическое волокно (3), кремниевую пластину (4) с двумя фотоприемниками (5). Кремниевая пластина (4) закреплена перпендикулярно мембранному упругому элементу (1). Другая кремниевая пластина (6) с зеркалом (7) также закреплена перпендикулярно мембранному упругому элементу (1) и параллельно кремниевой пластине (4).

Цифрами (8) и (9) обозначены падающее на зеркало (7) излучение и отраженное от зеркала (7) излучение соответственно.

Зеркало (7) представляет собой плоскую отражающую поверхность с кристаллографической ориентацией типа (100) с изготовленными в ней углублениями пирамидальной формы (10). Стенки углублений (10) сходятся в одной точке, кристаллографическая ориентация стенок - (111). Каждое из углублений (10) представляет собой уголковый отражатель, однако угол между каждой из стенок углубления (10) и плоскостью зеркала (7) составляет 54°, а не 45°, вследствие чего оптическое волокно и фотоприемники могут быть разнесены в пространстве.

Сенсор работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на кремниевый мембранный упругий элемент (1), смещая его вместе с оптическим волокном (3) от положения равновесия. Вследствие этого изменяется пространственное положение падающего на зеркало излучения (8) и далее отраженного от зеркала излучения (9). В результате величина электрического сигнала на выходе фотоприемников (5), включенных по дифференциальной схеме, изменяется пропорционально измеряемому давлению, то есть происходит амплитудная модуляция падающего излучения. При этом оптическое излучение падает на фотоприемники в результате двукратного отражения от стенок углублений (10).

Вследствие того, что оптическое излучение падает на фотоприемники (5) под углом, близким к 90° к плоскости, на которой расположены фотоприемники (5), а сами фотоприемники (5) включены по дифференциальной схеме, преобразовательная характеристика предлагаемого амплитудного волоконно-оптического сенсора давления имеет монотонный характер, что уменьшает ее нелинейность, а чувствительность характеристики вследствие увеличения расстояния от торца оптического волокна до фотоприемников значительно выше, чем в прототипе, а значит и чувствительность сенсора.

Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления, содержащий кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, передающее излучение от внешнего источника и закрепленное на мембранном упругом элементе с возможностью перемещения только вместе с его жестким центром пропорционально измеряемому давлению, и один фотоприемник, отличающийся тем, что в него введены дополнительный фотоприемник, зеркало и две параллельные кремниевые пластины, расположенные перпендикулярно мембранному упругому элементу, при этом оба фотоприемника включены по дифференциальной схеме и расположены на одной кремниевой пластине, а на другой пластине размещено зеркало, которое представляет собой плоскую отражающую поверхность кристаллографической ориентации типа (100) с углублениями пирамидальной формы, стенки углублений сходятся в одной точке, а кристаллографическая ориентация стенок типа (111).
АМПЛИТУДНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ
АМПЛИТУДНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-6 из 6.
10.02.2014
№216.012.9f89

Резонансный сенсор давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкости и газов. Резонансный сенсор давления содержит измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506549
Дата охранного документа: 10.02.2014
10.09.2014
№216.012.f3f7

Способ получения слоя диоксида кремния

Изобретение относится к технологии микроэлектроники. В способе получения слоя диоксида кремния, включающем загрузку полупроводниковой подложки в реактор, нагрев полупроводниковой подложки до необходимой температуры в диапазоне 300-500°C, подачу паров алкоксисилана, преимущественно -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002528278
Дата охранного документа: 10.09.2014
20.11.2015
№216.013.8f6e

Способ получения слоя диоксида кремния

Изобретение относится к микроэлектронике. В способе получения слоя диоксида кремния, включающем загрузку полупроводниковой подложки в реактор, нагрев полупроводниковой подложки до необходимой температуры в диапазоне 400-750°С, введение окислителя закиси азота и моносилана и поддержание давления...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568334
Дата охранного документа: 20.11.2015
27.01.2016
№216.014.bd69

Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления

Изобретение относится в области сенсорной электроники и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, в медицине. Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления содержит кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, закрепленное на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002573708
Дата охранного документа: 27.01.2016
12.01.2017
№217.015.5fd6

Фотоэлектрический сенсор давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Фотоэлектрический сенсор давления содержит упругий элемент в виде основного профилированного кремниевого кристалла с опорной рамкой, измерительной квадратной диафрагмой с жестким...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002590315
Дата охранного документа: 10.07.2016
19.01.2018
№218.016.05cc

Тензопреобразователь давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкости и газов. Тензопреобразователь давления содержит квадратную плоскую диафрагму из монокристаллического кремния с опорной рамкой и четыре продольных тензорезистора. Тензорезисторы расположены на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002631016
Дата охранного документа: 15.09.2017
Показаны записи 1-6 из 6.
10.02.2014
№216.012.9f89

Резонансный сенсор давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкости и газов. Резонансный сенсор давления содержит измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506549
Дата охранного документа: 10.02.2014
10.09.2014
№216.012.f3f7

Способ получения слоя диоксида кремния

Изобретение относится к технологии микроэлектроники. В способе получения слоя диоксида кремния, включающем загрузку полупроводниковой подложки в реактор, нагрев полупроводниковой подложки до необходимой температуры в диапазоне 300-500°C, подачу паров алкоксисилана, преимущественно -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002528278
Дата охранного документа: 10.09.2014
20.11.2015
№216.013.8f6e

Способ получения слоя диоксида кремния

Изобретение относится к микроэлектронике. В способе получения слоя диоксида кремния, включающем загрузку полупроводниковой подложки в реактор, нагрев полупроводниковой подложки до необходимой температуры в диапазоне 400-750°С, введение окислителя закиси азота и моносилана и поддержание давления...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568334
Дата охранного документа: 20.11.2015
27.01.2016
№216.014.bd69

Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления

Изобретение относится в области сенсорной электроники и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, в медицине. Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления содержит кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, закрепленное на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002573708
Дата охранного документа: 27.01.2016
12.01.2017
№217.015.5fd6

Фотоэлектрический сенсор давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Фотоэлектрический сенсор давления содержит упругий элемент в виде основного профилированного кремниевого кристалла с опорной рамкой, измерительной квадратной диафрагмой с жестким...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002590315
Дата охранного документа: 10.07.2016
19.01.2018
№218.016.05cc

Тензопреобразователь давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкости и газов. Тензопреобразователь давления содержит квадратную плоскую диафрагму из монокристаллического кремния с опорной рамкой и четыре продольных тензорезистора. Тензорезисторы расположены на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002631016
Дата охранного документа: 15.09.2017
+ добавить свой РИД