Измерительный преобразователь акустической скорости частиц
ACOUSTIC PARTICLE VELOCITY TRANSDUCER

Изобретение относится к области измерений акустических волн, а более конкретно, к микроэлектронным устройствам измерения акустической скорости частиц.
Акустическая скорость частиц (колебательная скорость частиц) - это скорость, с которой движутся по отношению к среде в целом частицы, колеблющиеся около положения равновесия при прохождении акустической волны. Акустическую скорость частиц следует отличать от скорости движения самой среды и от скорости распространения волны. Так, для измерения интенсивности звука в текучей среде, требуется измерить две составляющие: и изменение величины давления, и акустическую скорость, вызываемые прохождением акустических волн в среде.
Известен термоанемометр в микроэлектронном исполнении для измерения потоков текучих сред, содержащий помещенные в поток один или несколько термочувствительных элементов, температура которых зависит от теплоотвода посредством обтекающего их потока [1 - патент RU 2451295 C1. Термоанемометр и способ его изготовления / Беспалов В.А., Дюжев Н.А., Зарубин И.М., Рыгалин Д.Б. - Опубл. в Бюл. №14, 2012]. Термочувствительные элементы приведенного термоанемометра представляют собой нанесенные на поверхность мембраны металлические полоски, включаемые в электронную схему, через которые пропускается электрический ток для измерений изменения их электрических сопротивлений в зависимости от температуры.
Недостатком приведенного термоанемометра является то, что содержащаяся в нем мембрана существенно искажают структуру акустической волны, обтекающей термочувствительные элементы, особенно на слышимых звуковых частотах в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, где термоанемометр обладает низкой чувствительностью.
Известен микрофон в микроэлектронном исполнении на основе измерительного устройства потока текучих сред, содержащего термочувствительные и нагревательные элементы, который позволяет измерять акустическую скорость частиц акустической волны на слышимых звуковых частотах, по крайней мере, до 10 кГц [2 - патент WO 96/00488. Use of a fluid flow measuring device as a microphone and system comprising such a microphone / Hans E. De Bree, Theodorus S.J. Lammerink, Michael C. Elwenspoek, Johannes H.J. Fluitman. - Jan. 4, 1996]. Приведенный микрофон запатентован также в ведомстве по патентам и товарным знакам США [3 - патент US5959217. Fluid flow measuring device as a microphone and system comprising such a microphone / Hans E. De Bree, Theodorus S.J. Lammerink, Michael C. Elwenspoek, Johannes H.J. Fluitman. - Sept. 28, 1999]. Термочувствительные и нагревательные элементы приведенного микрофона выполняются в виде металлических полосок, размещаемых в канале текучей среды и находящихся в свободно подвешенном положении для обтекания их потоком текучей среды.
Недостатком приведенного микрофона является низкая механическая прочность, особенно к ударным воздействиям. Термочувствительные и нагревательные полоски разрушаются при тряске или ударном воздействии на микрофон.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предложенного изобретения является датчик акустической скорости частиц в микроэлектронном исполнении, известный в литературе под кратким названием "Microflown" [4 - патент WO 99/35470. Acoustic particle velocity sensor / Alex A. Koers. - Jul. 15, 1999]. Как и аналог [2], [3], прототип позволяет осуществлять акустические измерения на слышимых звуковых частотах. Прототип содержит, по крайней мере, один термочувствительный элемент, производящий электрический сигнал, соответствующий температуре, и, по крайней мере, еще один нагревательный или термочувствительный элемент. Каждый термочувствительный элемент может действовать одновременно и как нагревательный элемент. Термочувствительные и нагревательные элементы приведенного прототипа выполняются в виде металлических полосок, размещаемых в свободно подвешенном положении для обтекания их потоком текучей среды. Для повышения отношения полезного сигнала к шуму при осуществлении измерений требуется обеспечивать низкую тепловую емкость указанных полосок, что достигается уменьшением их поперечного сечения (толщины и ширины). Вместе с тем, для повышения чувствительности термочувствительных элементов, длину указанных полосок следует увеличивать. Свободно подвешенные длинные и тонкие полоски при пропускании через них электрического тока нагреваются до температуры плюс 200°С (и более), что приводит к их провисанию и потере механической прочности.
В случае достижения прототипом высокого отношения сигнала к шуму вместе с высокой чувствительностью, недостатком прототипа является его низкая механическая прочность из-за наличия свободно подвешенных длинных и тонких полосок. А в случае выбора достаточно толстых и коротких полосок для достижения высокой механической прочности, недостатками прототипа становятся его относительно низкая чувствительность и низкое отношение сигнала к шуму. Поэтому при практическом осуществлении прототипа всегда вынуждены искать компромисс между требованием повышения отношения сигнала к шуму вместе с чувствительностью и требованием повышения механической прочности.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является одновременное увеличение отношения сигнала к шуму, чувствительности и механической прочности измерительного преобразователя акустической скорости частиц на слышимых звуковых частотах.
Для решения указанной технической проблемы предлагается измерительный преобразователь акустической скорости частиц, содержащий, по крайней мере, две расположенные параллельно друг другу термочувствительные полоски с контактными площадками на концах, размещаемые в текучей среде распространения акустических волн в выемке конструктивно-образующего чипа.
Согласно изобретению, возможны следующие варианты исполнения измерительного преобразователя акустической скорости частиц:
- в указанную выемку включена, по крайней мере, одна монолитная с указанным чипом опора с возможностью обтекания ее указанной текучей средой, примыкающая к указанным термочувствительным полоскам и принимающая механические нагрузки указанных термочувствительных полосок;
- монолитный с опорой конструктивно-образующий чип выполнен из кремния или иного материала с возможностью его микрообработки химическим травлением;
- термочувствительные полоски выполнены из платины или иного металла с высоким температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления на подслое из нитрида кремния или иного диэлектрика с высокой прочностью в широком диапазоне температур, низким коэффициентом теплового расширения и низкой теплопроводностью.
Техническим результатом изобретения является включение монолитных с конструктивно-образующим чипом опор, принимающих на себя механические нагрузки термочувствительных полосок и не позволяющих им провисать.
Сравнение с известными техническими решениями показывает, что сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого устройства соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Изобретение поясняется на фигуре, где изображен общий вид заявляемого измерительного преобразователя акустической скорости частиц с двумя термочувствительными полосками и одной опорой, согласно примеру осуществления настоящего изобретения.
Пример заявляемого устройства измерительного преобразователя акустической скорости частиц, показанный на фигуре (не в масштабе), включает конструктивно-образующий чип 1 с выемкой 2; термочувствительные полоски 3, 4; контактные площадки 5, 6, 7; опору 8.
Рассмотрим действие заявляемого измерительного преобразователя акустической скорости частиц. Конструктивно-образующий чип 1 помещается в газ (или жидкость), в среде которого распространяется акустическая волна. Акустическая волна затекает в выемку 2 трапецеидальной формы, в которой параллельно друг другу размещены две термочувствительные полоски 3 и 4. Термочувствительные полоски 3 и 4 выполняются из металла, размещаемого на диэлектрическом подслое. Контактные площадки 5, 6, 7, являющиеся продолжением термочувствительных полосок 3, 4 с их концов и выполняемые из того же материала, служат для включения термочувствительных полосок 3, 4 в электронную схему разваркой проволочных соединений. Электронная схема и проволочные соединения не входят в объем и существо настоящего изобретения и не показаны на фигуре. При пропускании через термочувствительные полоски 3, 4 электрического тока они нагреваются до температуры плюс 200°С (и более). Вызываемые прохождением акустических волн колебания частиц газа или жидкости вблизи термочувствительных полосок 3 и 4 приводят к изменению их температуры. Если термочувствительные полоски 3 и 4 идентичны, то в случае распространения волны в направлении от термочувствительной полоски 3 к термочувствительной полоске 4, термочувствительная полоска 3 окажется менее нагретой, чем термочувствительная полоска 4. И, наоборот, в случае распространения волны в направлении от термочувствительной полоски 4 к термочувствительной полоске 3, менее нагретой окажется термочувствительная полоска 4. В свою очередь, изменение температуры термочувствительных полосок 3 и 4 приводит к изменению их электрического сопротивления, что и производит электрический сигнал, соответствующий акустической скорости частиц.
Для повышения отношения полезного сигнала к шуму понижается тепловая емкость термочувствительных полосок 3 и 4, что достигается уменьшением их толщины и ширины. Для повышения чувствительности, увеличивается длина термочувствительных полосок 3 и 4. Для повышения механической прочности термочувствительных полосок 3 и 4 используется опора 8, являющаяся монолитной частью конструктивно-образующего чипа 1 и размещаемая посередине выемки 2 с возможностью обтекания ее указанной текучей средой. Опора 8, преимущественно, выполняется в форме усеченной пирамиды. Механические нагрузки термочувствительных полосок 3 и 4 распределяются на поверхность конструктивно-образующего чипа 1 через прилегающие к ней контактные площадки 5, 6, 7 и на малую поверхность опоры 8, непосредственно примыкающую к термочувствительным полоскам 3, 4. С целью уменьшения возмущения структуры акустической волны и уменьшения паразитного теплоотвода от термочувствительных полосок 3 и 4, опора 8 выполняется как можно более малой. Опора 8 принимает механические нагрузки термочувствительных полосок 3, 4 и не позволяет им провисать посередине, что и обеспечивает повышение механической прочности.
В примере осуществления настоящего изобретения измерительный преобразователь акустической скорости частиц выполняется с помощью технологий микрообработки, а более конкретно, технологиями создания микроэлектромеханических систем (МЭМС). Конструктивно-образующий чип 1, преимущественно, формируется из кремниевой пластины. Трапецеидальная форма выемки 2 и пирамидальная форма опоры 8 обусловлены преимущественным применением микрообработки химическим травлением. Иные формы воплощения выемки 2 и опоры 8 не выходят за пределы существа и объема настоящего изобретения. Так, например, выемка может быть воплощена в прямоугольной форме, а опора - в форме усеченного конуса, цилиндра или параллелепипеда. Термочувствительные полоски 3, 4, преимущественно, формируются из платины с подслоем нитрида кремния. В качестве адгезионного слоя между платиной и нитридом кремния, преимущественно, используется тонкая пленка хрома. Выбор материалов для воплощения термочувствительных полосок 3, 4 в примере осуществления настоящего изобретения обусловлен тем, что платина обладает высоким температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления, а нитрид кремния обладает высокой прочностью в широком диапазоне температур, низким коэффициентом теплового расширения и умеренной теплопроводностью. Тем не менее, использование иных комбинаций металлов и диэлектриков для формирования термочувствительных полосок 3, 4 не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения.
В примере осуществления настоящего изобретения толщина термочувствительных полосок 3, 4 составляет десятые доли микрометра, ширина - единицы микрометров, длина - сотни микрометров. Расстояние между термочувствительными полосками 3 и 4 составляет десятки микрометров. Указанные размеры обеспечивают работоспособность измерительного преобразователя акустической скорости частиц на слышимых звуковых частотах от менее 20 Гц до более 20 кГц.
Иные примеры осуществления заявляемого измерительного преобразователя акустической скорости частиц могут содержать более двух термочувствительных полосок и отличаться более чем одной опорой, что не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения.