10.02.2014
216.012.9f89

РЕЗОНАНСНЫЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002506549
Дата охранного документа
10.02.2014
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: 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 форме балки с прямоугольным сечением, в теле которого сформированы тензорезисторы, при этом размер сечения балки в ортогональном направлении к плоскости колебаний постоянен, а в направлении колебаний возрастает по линейному закону, достигая максимального значения по середине балки, причем отношение максимального размера сечения к минимальному в указанном направлении лежит в интервале от 1 до 6. Техническим эффектом является уменьшение нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления. 4 ил.
Основные результаты: Резонансный сенсор давления, содержащий измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в форме балки с прямоугольным сечением, в теле которого сформированы тензорезисторы, отличающийся тем, что размер сечения балки в ортогональном направлении к плоскости колебаний постоянен, а в направлении колебаний возрастает по линейному закону, достигая максимального значения посередине балки, причем отношение максимального размера сечения к минимальному в указанном направлении лежит в интервале от 1 до 6.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.

Известен резонансный сенсор давления, содержащий измерительную мембрану и резонансный элемент, колеблющийся ортогонально к перемещению измерительной мембраны (Патент США, №5,969,257 от 19 октября 1999, авторы Eros De Bortoli, G01L 11/00 (Int. Cl.)). В указанном патенте резонансный элемент имеет форму сдвоенной прямоугольной балки постоянного сечения, жестко закрепленной с двух сторон, которая колеблется латерально относительно плоскости мембраны.

Недостатком такого резонансного сенсора давления является нелинейная зависимость частоты колебаний резонансного элемента от осевого растягивающего напряжения, вызванного измеряемым давлением. В работе СI.Welham, I.W.Gardner, J.Greenwood, - A laterally driven micro machined resonant pressure sensor, Sensors and Actuators, A 52 (1996), 86-91 показано, что зависимость частоты латеральных колебаний ƒ резонансного элемента, имеющего форму прямоугольной балки постоянного сечения, жестко закрепленной с двух сторон, от осевого растягивающего напряжения Т имеет вид:

где EI - изгибная жесткость резонансного элемента,

L - длина резонансного элемента,

МI и Мв - инерциальная масса балочной части резонансного элемента и масса области крепления соответственно.

Нелинейная зависимость частоты латеральных колебаний ƒ от

механического напряжения Т обусловлена степенной зависимостью в (1) вида

где а и b - постоянные коэффициенты.

Известен кремниевый резонансный сенсор давления, содержащий резонансный элемент в виде двусторонне жесткозакрепленной балки с постоянным прямоугольным сечением, присоединенной методом прямого сращивания к измерительной мембране

(Патент США, №5,060,526 от 29 октября 1991, авторы Phillip W. Barth, Palo Alto; Kurt E. Petersen, San Jose; Joseph R. Mallon, Jr., Fremont, all of Calif., G01L 1/10 (IntCl.)).

Указанный сенсор содержит измерительную мембрану, на поверхности которой сформирована резонансная полость и возбуждающий электрод. К краям резонансной полости жестко закреплена с двух сторон балка с прямоугольным сечением, выполняющая роль резонансного элемента. В теле резонансного элемента сформированы тензорезисторы.

Указанный сенсор работает следующим образом: при подаче переменного электрического поля на возбуждающий электрод между резонансным элементом и электродом возникают электростатические силы, вызывающие колебания балки в направлении, ортогональном плоскости измерительной мембраны. При подаче измеряемого давления резонансный элемент подвергается одноосному растяжению, что изменяет частоту его колебаний. Данное устройство выбрано за прототип.

Недостатком данного сенсора также является нелинейная зависимость частоты колебаний от осевой деформации резонансного элемента. Как показано, например, в работе Burns D.W., Zook J.D., Horning R.D., Herb W.R., Guckel H. - Sealed cavity microbeam resonant pressure sensor. Sensors and Actuators A 48 (1995) 179-186, связь между собственной частотой колебаний балки прямоугольного сечения и ее осевой деформацией, создаваемой измеряемой нагрузкой, в случае двустороннего закрепления имеет вид:

где ε - осевая деформация колеблющейся балки от измеряемого давления,

ρ - плотность материала,

Е - модуль Юнга,

lb и hb - соответственно длина и толщина балки,

b и γ - расчетные коэффициенты. Для основной моды колебаний коэффициенты равны b=6.4586 и γ=0.2949. При ε=0 частота колебаний равна собственной ƒ=ƒ0. Нелинейность преобразовательной характеристики обусловлена наличием радикала в (2).

Осевая деформация ε пропорциональна измеряемому давлению Р:

ε=КР,

где K - коэффициент, зависящий от геометрических размеров и формы измерительной мембраны, резонансного элемента и их взаимного расположения относительно друг друга. Изменение частоты колебания резонансного элемента зависит от

осевой деформации ε и равно:

где - собственная частота колебаний резонансного элемента при отсутствии давления на измерительную мембрану.

Зависимость изменения частоты Δƒ от осевой деформации (преобразовательная характеристика резонансного сенсора давления) оказывается нелинейной и характеризуется параметром нелинейности

где Δƒn - максимальное отклонение зависимости Δƒ от линейной

зависимости в интервале от 0 до ε.

Чувствительность резонансного сенсора давления определяется отношением изменения частоты резонансного элемента к его осевой деформации:

Для резонансного элемента в форме прямоугольной двусторонне жесткозакрепленной балки с размерами прототипа: длина lb=600 мкм,

ширина 60 мкм и толщиной hb - 6 мкм, и осевой деформацией ε=5·10-4 нелинейность оказывается равна NL=5.5%, а чувствительность S=1.6338·108 Гц.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления.

Поставленная задача решается тем, что в резонансном сенсоре, содержащем измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в форме балки с прямоугольным сечением, в теле которого сформированы тензорезисторы, размер сечения балки в ортогональном направлении к плоскости колебаний постоянен, а в направлении колебаний изменяется по линейному закону, достигая максимального значения посередине балки, причем отношение максимально размера сечения к минимальному в указанном направлении лежит в интервале от 1 до 6.

На ФИГ. 1 представлен общий вид предлагаемого резонансного сенсора давления, на ФИГ. 2 - разрез сенсора по А-А с укрупненным изображением резонансного элемента, например, с переменной толщиной, на ФИГ. 3 и ФИГ. 4 - зависимости нелинейности и отношения нормированной чувствительности к нормированной нелинейности от максимального размера толщины резонансного элемента в форме балки с переменной толщиной.

Сенсор (ФИГ. 1) содержит: измерительную мембрану - 1, резонансную полость - 2, тензорезисторы - 3, резонансный элемент в форме двусторонне закрепленной балки с прямоугольным сечением и толщиной, меняющейся от края к центру по линейному закону, - 4, электроды резонатора - 5.

Сенсор работает следующим образом: при подаче переменного напряжения на электроды резонатора 5 с частотой, равной собственной частоте колебаний резонансного элемента 4, последний начинает колебаться, что регистрируется тензорезисторами 3. Измеряемое давление действует на измерительную мембрану 1, приводя к осевому растяжению резонансного элемента 4 с осевой деформацией ε. Под действием осевой деформации частота колебаний резонансного элемента изменяется, что также регистрируется тензорезисторами. Нелинейность преобразовательной характеристики сенсора уменьшается благодаря использованию резонансного элемента в форме двусторонне жесткозакрепленной балки с переменным сечением. На ФИГ. 2 приведено сечение резонансного сенсора давления с укрупненным изображением двусторонне жесткозакрепленной балки резонансного элемента, у которого ширина постоянна и меняется по линейному закону толщина.

На ФИГ. 3 приведена зависимость нормированной нелинейности резонансного элемента с переменным сечением от его толщины в центре, рассчитанная методом конечно-элементного моделирования, при этом толщина резонансного элемента hП у места крепления равна 6 мкм, как у прототипа. Нормировка производится на нелинейность резонансного элемента прототипа NLП, когда балка имеет постоянное сечение. При увеличении толщины балки hmax в интервале 1<hmax /hП<6 нелинейность уменьшается до 10 раз.

На ФИГ. 4 приведена зависимость отношения нормированной чувствительности к нормированной нелинейности в зависимости от толщины hmах в центре резонансного элемента, при толщине у его края, равной 6 мкм. Нормировка чувствительности также производилась на чувствительность прототипа. Увеличение толщины резонансного элемента в центре приводит к улучшению до 2.05 раз отношения нормированной чувствительности к нормированной нелинейности при отношении hmax/hП в интервале от 1 до 6. Дальнейшее увеличение толщины центральной части резонансного элемента, при котором отношение hmax /hП>6, соответствует области незначительного изменения нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления и сопровождается уменьшением чувствительности резонансного сенсора давления. В случае линейного уменьшения толщины резонансного элемента от края к центру происходит существенное увеличение нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления. Так, при отношении толщин резонансного элемента в центре к толщине у краев hmax/hП=0.5 нелинейность преобразовательной характеристики резонансного сенсора составит 8.37% при толщине hП=6 мкм, как у прототипа.

Таким образом, по сравнению с прототипом применение резонансного элемента в форме двусторонне жесткозакрепленной балки с переменным прямоугольным сечением, возрастающим по линейному закону, приводит к уменьшению нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления.

Резонансный сенсор давления, содержащий измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в форме балки с прямоугольным сечением, в теле которого сформированы тензорезисторы, отличающийся тем, что размер сечения балки в ортогональном направлении к плоскости колебаний постоянен, а в направлении колебаний возрастает по линейному закону, достигая максимального значения посередине балки, причем отношение максимального размера сечения к минимальному в указанном направлении лежит в интервале от 1 до 6.
РЕЗОНАНСНЫЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ
РЕЗОНАНСНЫЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ
РЕЗОНАНСНЫЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ
РЕЗОНАНСНЫЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-6 из 6.
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
№217.015.5ca0

Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002589946
Дата охранного документа: 10.07.2016
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 1-7 из 7.
20.02.2013
№216.012.2833

Полный сумматор

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении многоразрядных быстродействующих сумматоров и АЛУ. Техническим результатом является повышение надежности и уменьшение габаритов устройства. Сумматор содержит восемь полевых транзисторов Р-типа, восемь...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475811
Дата охранного документа: 20.02.2013
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
№217.015.5ca0

Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002589946
Дата охранного документа: 10.07.2016
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

Похожие РИД в системе