АНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
ANEMOMETRIC TRANSDUCER

Изобретение относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения потоков жидкостей и газов - МЭМС-термоанемометрам.
Известен термоанемометр, содержащий помещенный в поток нагреваемый элемент, и средство для регистрации его температуры: о величине потока судят по теплоотводу от этого элемента (по установившейся температуре при постоянном теплоподводе или по величине теплоподвода, необходимого для поддержания постоянной температуры) /1/.
Известен и широко распространен термоанемометр, содержащий нагревательный элемент, помещаемый в измеряемый поток, и чувствительный к теплу элемент, установленный в том же потоке в заданном положении относительно нагревательного элемента: поток определяют при этом по интенсивности теплопереноса /2/. Оба типа приведенных термоанемометров известны и в микроисполнении: они содержат нагреваемые током слои-полоски, нанесенные на поверхность подложки или тонкой мембраны, а также содержат термочувствительные слои-термосопротивления, нагреваемые теплом, переносимым измеряемым потоком от полосок, нагреваемых током.
Недостатком этих анемометров является необходимость затрачивать энергию на питание нагревателя, как при наличии измеряемого потока, так и в его отсутствие.
Известен анемометр, содержащий чувствительный элемент в виде цилиндра-паруса, передающего усилие на гибкий стержень с тензодатчиками /3/. Он безразличен к температуре потока, а энергопотребление его ограничено потреблением датчиков.
Недостатками его являются низкая чувствительность, особенно в области малых потоков, а также сложность и громоздкость.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является микроэлектромеханический сенсор потока, содержащий подвешенный чувствительный элемент, усилия с которого преобразуются пьезодатчиками /4/.
Недостатками его являются сложность изготовления, а также низкая чувствительность, связанная с регистрацией лишь касательных сил, действующих на чувствительный элемент со стороны потока.
Задачей предлагаемого изобретения является создание простого в изготовлении анемометрического датчика с низким расходом энергии и малыми размерами, способного определять наличие потока.
Указанная задача решается тем, что анемометрический датчик содержит чувствительный элемент, выполненный в виде двух и более открытых контролируемому потоку упругих лепестков. Сам чувствительный элемент с электрическими контактами к нему выполнен из пьезоэлектрического материала и выполняет функцию датчика колебаний. Также упругие лепестки имеют разные длины. К чувствительному элементу каждого лепестка соответствующей определенной длины подводится отдельный контакт. Каждой длине соответствует свой динамический. диапазон измерения потока и в зависимости от силы потока функционируют определенные лепестки: более длинные регистрируют малые потоки, более короткие - большие за счет разных частот собственных колебаний.
В качестве датчика может использоваться тензодатчик, сформированный на поверхности лепестков.
Чувствительный элемент используется как тензорезистор.
Чувствительный элемент используется как пьезоэлектрический датчик, выполненный в виде покрытия из пьезоэлектрического материала на поверхности лепестков.
Чувствительный элемент используется как емкостный датчик.
Чувствительный элемент используется как оптический датчик.
В отличие от рассматриваемого прототипа за счет того, что сам лепесток является чувствительным элементом, упрощается технологический маршрут изготовления сенсора, а за счет разных длин лепестков регистрируется больший диапазон измерения скоростей потока.
Поток воздуха может быть направлен как нормально, так и касательно плоскости лепестка.
Выходные контакты с сенсора подключены в мостовую схему, снабженную усилителем.
На фиг.1 представлен чертеж кристалла анемометрического датчика, где стрелкой обозначено направление потока газа, 1 - массив из упругих лепестков, 2 - вытравленный колодец С-С - разрез функциональной части кристалла.
Принцип работы предлагаемого анемометрического датчика заключается в том, что при помещении его в измеряемый поток его лепестки, благодаря своей гибкости, начинают колебаться, и эти колебания регистрируются с помощью датчика колебаний.
Примером конкретного исполнения может служить анемометрический датчик, выполненный в подложке из кремния толщиной 460 мкм путем создания, с помощью травления, мембраны толщиной 2 мкм, имеющей в плане вид прямоугольной трапеции высотой 0,1 мм и с основаниями 0,5 мм и 0,1 мм, и последующего формирования из этой мембраны шести лепестков шириной 10 мкм, толщиной 2 мкм и с разными длинами от 50 мкм до 450 мкм. Пьезоэлектрический слой датчика выполнен в виде пленки ZnO толщиной 0,5 мкм, нанесенной на поверхность лепестков и на подложку у их оснований. Роль проводящих слоев (контактов) пьезоэлектрического датчика выполняют кремниевые лепестки и подложка - с одной стороны - и слой Аl толщиной 0,2 мкм, нанесенный на поверхность пьезоэлектрика - с другой.
Предлагаемый анемометрический датчик может быть использован как самостоятельный анемометр или в качестве датчика наличия потока. В последнем случае он может быть использован для включения-отключения более точных, но неэкономичных, термоанемометров в зависимости от наличия или отсутствия потока. При этом технология его изготовления легко совместима с технологией изготовления термоанемометров, формируемых на мембранах, и они легко интегрируемы в одном кристалле.
При использовании в качестве самостоятельного анемометра используют тот факт, что величина сигнала (первично с прогиба лепестка) от датчиков зависит от скорости потока, а дополнительная информация о потоке содержится в частотном спектре сигнала.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США 3992940.
2. Патент США 6527835.
3. Патент США 4478076.
4. Патент США 6966231 - прототип.