Фотоэлектрический сенсор давления

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения давления жидкостей и газов.
Известен фотоэлектрический сенсор давления, содержащий упругий элемент в виде профилированного кремниевого кристалла, оптоволокно и интегральный фотодиод. Упругий элемент состоит из опорной рамки, квадратной измерительной диафрагмы с жестким центром и V-канавки, проходящей по оси симметрии опорной рамки и жесткого центра через одну из сторон рамки (Dziuban J.A., Gorecka-Drzazga A., Lipowicz U., Silicon optical pressure sensor, A., 32, 1992, p. 628-631). В V-канавке оптоволокно клеевым способом закреплено на опорной рамке упругого элемента и на жестком центре диафрагмы и своим излучающим концом направлено на интегральный фотодиод, который расположен на краю опорной рамки. Другой конец оптоволокна принимает излучение от источника света и находится за пределами упругого элемента.
Указанный сенсор работает следующим образом: световой поток от источника света подводится через оптоволокно к фотодиоду. Измеряемое давление деформирует диафрагму, вызывая перемещения жесткого центра с прикрепленным к нему светоизлучающим концом оптоволокна. Светоизлучающий конец оптоволокна повторяет перемещения жесткого центра из-за действия давления, меняя площадь засветки фотодиода. Электрический сигнал, генерируемый фотодиодом, изменяется в зависимости от степени его засветки.
Недостатками такого фотоэлектрического волоконно-оптического сенсора давления являются нелинейная зависимость преобразования измеряемого давления, в электрический выходной сигнал, снимаемый с фотодиода, и большая величина выходного сигнала сенсора в отсутствии измеряемого давления. Чувствительность указанного сенсора существенно зависит от величины перемещения, которое совершает светоизлучающий конец оптоволокна под действием изменяемого давления на диафрагму.
Также известен фотоэлектрический сенсор давления, содержащий упругий элемент в виде основного профилированного кремниевого кристалла с опорной рамкой, измерительной квадратной диафрагмой с жестким центром и V-канавкой, проходящей по оси симметрии опорной рамки и жесткого центра через одну из сторон рамки, в которой расположено и клеевым способом закреплено оптоволокно, один принимающий излучение конец которого расположен за пределами упругого элемента, две вспомогательные V-канавки, цилиндрические направляющие, размещенные на опорной рамке параллельно светопроводящему оптоволокну, и U-канавка, над которой расположен другой свободный излучающий конец оптоволокна, и которая проходит по оси симметрии опорной рамки, пересекая другую противоположную сторону рамки, и ширина которой больше размера фотодиодов, а также дополнительный кремниевый кристалл с двумя отверстиями, при этом на дополнительном кристалле расположены оба фотодиода один над другим, разделенные узким промежутком и включенные дифференциально, на которые направлен излучающий конец оптоволокна, а сам дополнительный кристалл прикреплен к внешнему краю опорной рамки упругого элемента перпендикулярно плоскости измерительной квадратной диафрагмы, при этом точная оптическая центровка конструкции сенсора достигается с помощью отверстий на дополнительном кристалле, в которые входят цилиндрические направляющие, закрепленные во вспомогательных V-канавках, расположенных на опорной рамке упругого элемента по обе стороны от оптоволокна (Патент РФ RU 2590315 C1, Фотоэлектрический сенсор давления, авторов Чебанов М.А., Гридчин В.А., Васильев В.Ю., от 04.06.2015, ООО «РАМИТ»).
Указанный сенсор работает следующим образом. В оптоволокно вводится оптическое излучение, которое засвечивает пару фотодиодов. Под действием измеряемого давления диафрагма оптомеханического узла прогибается, что приводит к перемещению жесткого центра и отклонению свободного конца оптоволокна. Это вызывает изменение степени засветки фотодиодов. Электрические сигналы, генерируемые фотодиодами, изменяются в зависимости от степени засветки, определяемой измеряемым давлением.
В этом сенсоре недостатком является малость перемещения светового пятна относительно фотодиодов, что снижает общую чувствительность сенсора в целом.
Данное устройство является прототипом.
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение чувствительности фотоэлектрического сенсора.
Поставленная задача достигается тем, что в фотоэлектрический сенсор, состоящий из двух элементов, первый из которых является упругим элементом и представляет собой профилированный путем двустороннего жидкостного анизотропного травления кристалл монокристаллического кремния с опорной рамкой по периметру, измерительной квадратной диафрагмой с жестким центром и U-канавкой с одной стороны и V-канавкой с другой стороны, проходящей по оси симметрии опорной рамки и жесткого центра, в которой расположено и клеевым способом закреплено оптоволокно, один принимающий излучение конец которого расположен за пределами сенсора, а второй свободный конец расположен над U-канавкой и перемещается в вертикальном направлении в зависимости от прилагаемого давления к измерительной диафрагме сенсора, передавая излучение на второй регистрирующий элемент, закрепленный перпендикулярно плоскости измерительной диафрагмы, представляющий собой кристалл монокристаллического кремния с двумя дифференциально включенными фотодиодами, расположенными один над другим, разделенными узким промежутком, и сквозными отверстиями для точной оптической центровки первого и второго элементов конструкции сенсора цилиндрическими направляющими, закрепленными во вспомогательных V-канавках, расположенных на опорной рамке первого элемента параллельно оптоволокну, что для повышения чувствительности сенсора путем увеличения величины вертикального перемещения свободного конца оптоволокна в конструкцию сенсора введен третий дополнительный элемент, представляющий собой профилированный с одной стороны путем жидкостного анизотропного травления кристалл монокристаллического кремния, размеры и конструкция которого аналогичны размерам и конструкции первого элемента, который располагается и закрепляется клеевым способом поверх первого элемента, но при этом жесткий центр третьего кристалла смещен в сторону закрепленной части оптоволокна, а жесткий центр первого элемента смещен в сторону свободного конца оптоволокна, и таким образом, оптоволокно оказывается зажатым между двумя жесткими центрами первого и третьего элементов, а за счет появления дополнительного рычага вертикальное смещение свободного конца оптоволокна при подаче давления на диафрагму увеличивается, повышая
На ФИГ. 1 приведен вид предлагаемого устройства в разобранном состоянии; на ФИГ. 2 - поперечный разрез предлагаемого устройства; на ФИГ. 3 - общий вид сборки предлагаемого устройства, с поперечным разрезом упругого элемента, на ФИГ. 4 - зависимости отклонения свободного конца оптоволокна от нормированной функции изменения давления F(P).
Предлагаемый сенсор (ФИГ. 1) содержит первый двусторонне профилированный кремниевый кристалл - 1 с измерительной диафрагмой - 2, опорную рамку - 3, жесткий центр - 4, смещенный в сторону U-канавки - 5, и V-канавки на опорной рамке - 6 для цилиндрических направляющих основного кристалла - 7 и V-канавкой - 8 для фиксации оптоволокна - 9, при этом фотодиоды -10 размещены на втором кристалле - 11, в котором имеются отверстия 12 для цилиндрических направляющих первого кристалла, а также дополнительный третий профилированный с одной стороны кремниевый кристалл - 13, повторяющий кристалл - 1, за исключением отсутствия диафрагмы - 2, и смещением жесткого центра в сторону V-канавки - 8.
Сенсор работает следующим образом: световой поток от внешнего источника света проходит через оптоволокно 9, U-канавку 5 в опорной рамке 3 и создает круговое световое пятно на двух фотодиодах 10, расположенных на втором кристалле 11. В отсутствие давления оба фотодиода 10 получают одинаковую засветку, благодаря их точному позиционированию напротив светоизлучающего конца оптоволокна 9. При этом дифференциальная схема включения фотодиодов 10 минимизирует начальный выходной сигнал. При подаче давления на измерительную диафрагму 2 первого кристалла 1, диафрагма прогибается, перемещая жесткий центр 4 в нормальном направлении по отношению к диафрагме, тем самым создавая пару перерезающих сил в месте защемления оптоволокна между жесткими центрами 4 кристаллов 1 и 13, что приводит к отклонению светоизлучающего конца оптоволокна 9. Смещение светоизлучающего конца оптоволокна 9 приводит к перемещению светового пятна относительно фотодиодов 10, что приводит к изменению генерируемых фото-ЭДС или фототоков.
Вспомогательные V-канавки 6 (ФИГ. 1) необходимы для точного центрирования первого кристалла 1 и дополнительного третьего кристалла 13 относительно второго кристалла 11, с помощью цилиндрических направляющих основного кристалла 7 и специальных отверстий 12 во втором кристалле 11. Оптоволокно 9 клеевым способом закреплено в V-канавках 8 кристаллов 1 и 13, так, что светоизлучающий конец оказывается подвешен между двумя U-канавками 5 кристаллов 1 и 13, напротив светодиодов 10.
В прототипе используется один двусторонне профилированный кристалл, жесткий центр которого расположен в центре измерительной диафрагмы. Предложенная конструкция сборки с дополнительным третьим профилированным с одной стороны кристаллом, у которого жесткий центр смещен в сторону закрепления оптоволокна на рамке, а жесткий центр первого кристалла смещен в сторону свободного конца оптоволокна, позволяет увеличить отклонение свободного конца оптоволокна за счет добавления поворотного усилия, приложенного в месте защемления излучающего оптоволокна. В сенсоре схема преобразования измеряемого давления в электрический сигнал имеет вид:
Р→w→y→z,
где Р - давление, w - отклонение жесткого центра засчет прогиба мембраны, y - отклонение свободного конца оптоволокна и светового пятна относительно фотодиодов, z - разностный выходной сигнал. Чувствительность такого сенсора S определяется выражением:
,
где Sz, Sy, Sw - соответствующие чувствительности. На ФИГ. 4 приведено сравнение отклонения свободного конца оптоволокна y, от нормированного воздействия F(P) для конструкции прототипа и предложенной полезной модели. Для предложенной конструкции отклонение свободного конца больше на 95%.
Таким образом, увеличивается амплитуда отклонения свободного конца оптоволокна и перемещение оптического пятна, тем самым увеличивая общую чувствительность сенсора.
Технический результат предлагаемого сенсора - увеличение чувствительности, достигается благодаря применению оптомеханического узла, в котором жесткий центр первого двусторонне профилированного кристалла смещен от центра диафрагмы в сторону свободного конца оптоволокна, а также введен третий дополнительный кристалл, структура которого повторяет первый кристалл, но жесткий центр смещен к V-канавкам на опорной рамке, где закреплено оптоволокно.