ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ
PHOTOELECTRIC PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.
Известен фотоэлектрический сенсор давления, содержащий круглую измерительную диафрагму, к центру которой прикреплена непрозрачная заслонка, неподвижную пластину, источник света - светодиод, опорный фотодиод и рабочий фотодиод (Weimin Z., Tainning С, Junxia Q., High sensitivity photoelectric pressure sensor based on a monolithic dual photodiode, SPIE, Vol. 2894, pp. 26-33). В указанном сенсоре светодиод и фотодиоды расположены на неподвижной пластине, закрепленной над измерительной диафрагмой. На пластине в пространстве между светодиодом и фотодиодами имеется отверстие, в котором размещена заслонка.
Указанный сенсор работает следующим образом: под действием давления диафрагма деформируется, что приводит к перемещению заслонки в пространстве между светодиодом и фотодиодами. Заслонка перекрывает часть излучаемого светодиодом светового потока, падающего на рабочий фотодиод. Изменение степени засветки рабочего фотодиода приводит к изменению генерируемого им фототока. Опорный фотодиод остается постоянно засвеченным и генерирует постоянный уровень фототока. Разность фототоков опорного и рабочего фотодиодов определяет выходной электрический сигнал сенсора, рассчитываемый по следующей формуле:
1
2
где K и K - коэффициенты фоточувствительности рабочего и опорного фотодиодов соответственно,
1
А - общая площадь рабочего фотодиода,
0
А - изначально затененная заслонкой площадь рабочего фотодиода при отсутствии измеряемого давления,
Р - измеряемое давление,
q - чувствительность перемещения заслонки к давлению,
h - коэффициент, учитывающий оптические и конструктивные особенности фотодиодов.
Недостатком такого фотоэлектрического сенсора является довольно крупные габаритные размеры (диаметр диафрагмы ~ 10 см), сложная конструкция сенсора, исключающая возможность существенной миниатюризации, и потенциально высокая стоимость изготовления.
Также 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, рp. 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. Данное устройство является прототипом.
out
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 отсутствие измеряемого давления. Чувствительность указанного сенсора существенно зависит от величины перемещения, которое совершает светоизлучающий конец оптоволокна под действием изменяемого давления на диафрагму, приводя к немонотонности преобразовательной характеристики. В работе (Гридчин В.А., Васильев В.Ю., Чебанов М.А. Численное моделирование элементов фотоэлектрического волоконно-оптического сенсора давления. Нано- и микросистемная техника, №6, 2014, с. 3-7) показано, что электрический сигнал U зависит от площади засветки фотодиода S и имеет вид:
0
где U - начальный выходной сигнал в отсутствие измеряемого давления,
K - коэффициент, учитывающий особенности светового пятна, электрические и конструктивные параметры фотодиода,
Р - измеряемое давление,
F(P) - коэффициент засветки фотодиода,
p
S - полная площадь фотодиода.
Коэффициент засветки фотодиода F(P) определяет нелинейный характер преобразовательной характеристики. Коэффициент F(P) связан с перемещением светового пятна относительно фотодиода под действием измеряемого давления z(P) следующим соотношением:
где R - радиус светового пятна,
w - ширина фотодиода,
h - высота фотодиода.
2
1
В формуле (2) положено, что в отсутствие измеряемого давления Р=0, z(P)=0 и световое пятно касается границы фотодиода, не засвечивая его. При перемещениях светового пятна не превышающих высоты фотодиода z(P)<h, в формуле (2) следует принять F(P)=0, а при перемещениях превосходящих диаметр светового пятна z(P)≥2R следует принять F(P)=2π.
Выражения (1) и (2) количественно объясняют высокое значение нелинейности преобразовательной характеристики сенсора с одним фотодиодом, следствием чего прототип может использоваться только как регистратор давления: давление присутствует, давление отсутствует. Применение в сенсоре одиночного фотодиода для преобразования измеряемого давления в электрический сигнал исключает возможность компенсирования начальной засветки фотодиода и является причиной большой величины начального выходного сигнала.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение нелинейности преобразовательной характеристики и начального выходного сигнала сенсора.
Поставленная задача достигается тем, что в 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, и интегральный фотодиод, введены дополнительный кремниевый кристалл с двумя отверстиями, дополнительный интегральный фотодиод, две вспомогательные V-канавки, цилиндрические направляющие 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 фотодиода, 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.
На ФИГ. 1 представлен общий вид предлагаемого фотоэлектрического сенсора давления. На ФИГ. 2 - поперечный разрез сенсора. На ФИГ. 3 - преобразовательные характеристики сенсора при использовании одиночного и пары фотодиодов в дифференциальном включении.
Предлагаемый сенсор (ФИГ. 1) содержит основной профилированный кремниевый кристалл - 1 с измерительной диафрагмой - 2, жестким центром - 3 и опорной рамкой - 4 с U-канавкой - 5 и V-канавками - 6 для цилиндрических направляющих основного кристалла - 7 и V-канавкой - 8 для фиксации оптоволокна - 9, при этом фотодиоды - 10 размещены на дополнительном кристалле - 11, в котором имеются отверстия 12 для цилиндрических направляющих основного кристалла.
Сенсор работает следующим образом: световой поток от внешнего источника света проходит через оптоволокно 9, U-канавку 5 в опорной рамке 4 и создает круговое световое пятно на двух фотодиодах 10, расположенных на дополнительном 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 основного кристалла 1, диафрагма искривляется, перемещая жесткий центр 3 в нормали по отношению к диафрагме, 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 генерируемого фото-ЭДС.
Две вспомогательные V-канавки 6 (ФИГ. 1) необходимы для точного центрирования основного кристалла 1 относительно дополнительного кристалла 11, с помощью цилиндрических направляющих основного кристалла 7 и специальных отверстий 12 в дополнительном кристалле 11. Оптоволокно 9 клеевым способом закреплено в V-канавке 8, так что светоизлучающий конец оказывается подвешен над U-канавкой 5 напротив светодиодов 10.
В прототипе используется одиночный фотодиод, который в отсутствие измеряемого давления частично находится в засвеченном состоянии и генерирует фототок, который является источником начального выходного сигнала. Предложенная конструкция сенсора (ФИГ. 2) позволяет точно позиционировать оптоволокно 9 напротив двух фотодиодов 10 в дифференциальном включении, что минимизирует начальный выходной сигнал сенсора в отсутствие измеряемого давления, а дифференциальное включение обеспечивает линеаризацию выходного сигнала.
На ФИГ. 3 приведено сравнение коэффициента засветки одиночного фотодиода прототипа и разности коэффициентов засветки двух фотодиодов в дифференциальном включении. При этом конструктивные размеры одиночного фотодиода были выбраны следующими: высота - 10 мкм, ширина - 60 мкм. Конструктивные размеры двух фотодиодов в дифференциальном включении были следующими: высота - 100 мкм, ширина - 60 мкм, а зазор между фотодиодами составлял 10 мкм. Радиус светового пятна в обоих случаях был одинаковым R=60 мкм. Зависимость разности коэффициентов засветки двух фотодиодов в предполагаемом диапазоне перемещения светового пятна (0÷40 мкм) обладает существенно меньшей нелинейностью равной 3.5%, чем аналогичная зависимость коэффициента засветки одиночного фотодиода, нелинейность которой равна 28%. Так как выходной сигнал сенсора в обоих случаях прямо пропорционален этим коэффициентам, то использование в предлагаемом изобретении двух фотодиодов в дифференциальном включении существенно повысит линейность преобразовательной характеристики по сравнению со случаем одиночного фотодиода, который использовался в прототипе.
Таким образом, в предложенном фотоэлектрическом сенсоре давления уменьшена нелинейность преобразовательной характеристики и начальный выходной сигнал.