РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ
RESONANCE PRESSURE CONVERTER

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых датчиков давлений.
Известен резонансный преобразователь давления, содержащий балку из нитрида кремния, опирающуюся на присоединенную к кремниевой мембране рамку особой конструкции из монокремния. Балка возбуждается электротермическим способом, ее колебания улавливаются тонкопленочными тензорезисторами [Deyong Chen, Dafu Cui, Li Wang, Xiaotong Gao. SiN beam resonant pressure sensors with a novel structure / Sensors, 2002. Proceedings of IEEE. - 2002. - Vol. 2 - p. 994-997].
Недостатком аналога является низкая чувствительность, обусловленная наличием резонатора, состоящего из колебательной балочной структуры, имеющей первую и вторую колебательные балки, которые размещены параллельно друг другу, и перемычки, соединяющей первую и вторую колебательные балки.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является резонансный преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану, предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором, два постоянных магнита, обеспечивающих действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, резонатор выполнен в виде рамки, внутри которой на перемычках подвешена плоскопараллельная пластина с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор, обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины [Патент 2431815 RU. Резонансный преобразователь давления; опубл. 20.10.2011].
Недостатком прототипа является низкая чувствительность, обусловленная применением для преобразования одиночного тензорезистора, невысокая добротность колебательной системы и большая потребляемая мощность, обусловленная применением в качестве колебательного элемента резонатора плоско-параллельной пластины.
Изобретение направлено на увеличение добротности, повышение чувствительности и снижение потребляемой мощности преобразователя.
Согласно изобретению, в резонансном преобразователе давления, содержащем кремниевую мембрану, предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором, выполненным в виде рамки, внутри которой на перемычках подвешен колебательный элемент с напыленной на его поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен преобразователь деформации, обеспечивающий восприятие деформации при колебаниях колебательного элемента, два постоянных магнита, обеспечивающих действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, колебательный элемент резонатора выполнен в виде внутренней рамки, преобразователь деформации выполнен из расположенных попарно-перпендикулярно на противоположных краях одной стороны перемычки в зонах наибольшего сжатия и растяжения четырех тензорезисторов, объединенных в мостовую схему.
Введение предложенной конструкции, включающей резонатор, выполненный в виде внешней рамки, внутри которой на перемычках подвешен колебательный элемент в виде внутренней рамки с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен преобразователь деформации, состоящий из расположенных попарно-перпендикулярно на противоположных краях одной стороны перемычки в зонах наибольшего сжатия и растяжения четырех тензорезисторов, объединенных в мостовую схему и обеспечивающих восприятие продольной и поперечной деформации сжатия и растяжения перемычки при колебаниях пластины, позволяет повысить чувствительность за счет того, что преобразователь деформации представляет собой мостовую схему, выходной сигнал которой вчетверо выше выходного сигнала преобразователя деформации в виде одиночного тензорезистора. Также введение предложенной конструкции позволяет повысить добротность и снизить потребляемую мощность за счет исполнения колебательного элемента резонатора в виде внутренней рамки.
Предлагаемое устройство поясняется на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
На фиг. 1 изображен преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану (1), предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором (2).
На фиг. 2 изображен кремниевый резонатор (2) с двумя постоянными магнитами (3), обеспечивающими действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора (2). Резонатор (2) выполнен в виде внешней рамки, внутри которой на перемычках (4, 5) подвешен колебательный элемент в виде внутренней рамки (6) с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой (7), которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен преобразователь деформации, состоящий из расположенных попарно-перпендикулярно на противоположных краях одной стороны перемычки в зонах наибольшего сжатия и растяжения четырех тензорезисторов (8), объединенных в мостовую схему и обеспечивающих восприятие продольной и поперечной деформации перемычки при колебаниях внутренней рамки (6).
На фиг. 3 изображен фрагмент перемычки (4) с расположенным на ней преобразователем деформации, состоящим из расположенных попарно-перпендикулярно на противоположных краях одной стороны перемычки в зонах наибольшего сжатия и растяжения четырех тензорезисторов (8), поясняющий конструкцию и принцип действия преобразователя деформации.
На фиг. 4 и фиг. 5 изображены колебательный элемент в виде плоскопараллельной пластины и колебательный элемент в виде внутренней рамки соответственно с условными обозначениями геометрических размеров, необходимых для пояснения увеличения добротности предложенной конструкции по сравнению с прототипом.
Принцип работы преобразователя заключается в следующем.
Переменный ток, протекающий в напыленной на поверхности внутренней рамки проводящей дорожке, взаимодействуя с магнитным полем постоянных магнитов, вызывает силы Лоренца, приложенные к проводящим участкам дорожки, расположенным перпендикулярно направлению магнитного поля и направленным в противоположные стороны перпендикулярно плоскости внутренней рамки. Поскольку силы Лоренца направлены в противоположные стороны и меняют свое направление в соответствии с частотой переменного тока, то они вызывают знакопеременный крутящий момент, приложенный к продольной оси внутренней рамки, который заставляет ее совершать крутильные колебания на кремниевых перемычках (подвесах) на резонансной частоте. Измеряемое давление, воздействуя на внешнюю рамку резонатора, растягивает или сжимает перемычки, на которых подвешена внутренняя рамка резонатора, изменяя тем самым их жесткость, а следовательно, и резонансную частоту колебаний внутренней рамки с расположенными на ней попарно-перпендикулярно тензорезисторами, объединенными в мостовую схему. Частота выходного напряжения мостовой схемы пропорциональна изменению измеряемого давления. Исполнение колебательного элемента в виде внутренней рамки повышает добротность и снижает потребляемую мощность, затрачиваемую на возбуждение колебаний за счет уменьшения площади колебательного элемента.
a
Колебания характеризуются акустическим сопротивлением среды R, определяемым формулой
c
где ν - скорость продольной волны в среде,
c
ρ - плотность среды,
S - площадь поверхности колебательного элемента.
c
В газовой среде плотность ρ определяется давлением газа p, молекулярным весом µ и абсолютной температурой T по формуле
где R - универсальная газовая постоянная.
Скорость волны определяется выражением
где γ - соотношение удельных теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме.
Соответственно, для колебаний в газе акустическое сопротивление среды (1) с учетом (2) и (3) будет выражаться формулой
Добротность является одной из основных характеристик колебательной системы, которая определяется отношением энергии, накопленной в колебательной системе, к энергии, которую расходует система за один период колебания. Для механического колебательного элемента добротность Q определяется формулой [Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.]
где M - масса колебательного элемента,
b - ширина колебательного элемента,
ω - резонансная частота колебаний колебательного элемента.
С учетом (4) добротность будет выражаться формулой
1
Для колебательного элемента, использованного в прототипе, с учетом геометрических размеров резонатора (фиг. 4) добротность Q будет определяться формулой
где ρ - плотность материала колебательного элемента (кремния),
h - толщина колебательного элемента.
Предложенная конструкция колебательного элемента позволяет повысить добротность колебательной системы и снизить потребляемую мощность.
2
Для предложенной конструкции колебательного элемента (фиг. 5) добротность Q будет определяться формулой
Отношение добротностей предложенной конструкции (8) и прототипа (7) при условии постоянства параметров воздушной среды, в которой происходят колебания, будут определяться формулой
При учете того, что выполняются условия
L>b
1
b>b,
2
выражение (9) всегда будет больше 1, в частности, при ширине рамки колебательного элемента, не превышающей 10% от ширины пластины, добротность предложенной конструкции Q возрастет более, чем на порядок.
Уравнение движения резонатора имеет следующий вид:
,
γ
где J - осевой момент инерции резонатора,
γ
b - коэффициент демпфирования резонатора,
γ
G - жесткость упругих подвесов резонатора,
0
M sin pt - момент привода, развиваемый силами Лоренца,
0
M - амплитуда момента привода,
p - частота момента привода,
t - время,
γ - угол поворота колебательного элемента [Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2007. - 400 с.].
γ
Момент инерции резонатора J зависит от его массы. В предложенной конструкции, содержащей колебательный элемент в виде внутренней рамки, момент инерции будет меньше, чем в прототипе, так как масса рамки значительно меньше массы плоскопараллельной пластины при одинаковых габаритных размерах и толщине. Следовательно, при одинаковой жесткости упругих подвесов момент привода при неизменной частоте колебаний также будет значительно меньшим.
0
Амплитуда момента привода M определяется произведением силы Лоренца на плечо, равное половине ширины колебательного элемента. При одинаковом плече для прототипа и предложенной конструкции снижение момента привода будет означать снижение силы Лоренца F, которая определяется выражением
F=eνB sinα,
где e - заряд электрона, ν - скорость движения электронов, B - магнитная индукция, α - угол между направлениями векторов скорости и магнитной индукции [Элементарный учебник физик: Учеб. пособие. В 3 т. Т. 2. Электричество и магнетизм / Под. ред. Г.С. Ландсберга. - 16-е изд. - М.: ФИЗМАТ-ЛИТ, 2013. - 488 с.].
Следовательно, снижение силы Лоренца при неизменной магнитной индукции и скорости движения электронов будет означать снижение количества электронов, протекающих через поперечное сечение проводящей дорожки, то есть снижение протекающего через проводящую дорожку электрического тока. Так как проводящие дорожки представляют собой активную нагрузку, то мощность, потребляемая для возбуждения колебаний колебательного элемента от источника переменного напряжения, пропорциональна протекающему току, то есть в предложенной конструкции будет снижена потребляемая электрическая мощность.
Введение в предложенную конструкцию преобразователя деформации позволяет повысить чувствительность измерительного преобразования.
С преобразователя деформации, состоящего из четырех тензорезисторов, объединенных в мостовую схему, обеспечивающую восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины, снимается выходное напряжение переменного тока с частотой, равной частоте колебаний плоско-параллельной пластины при измеряемом давлении, и амплитудой, в четыре раза превышающей амплитуду выходного сигнала в прототипе. Указанное преимущество достигается за счет того, что особенностью монокристаллического кремния является равенство по модулю и противоположность по знаку продольного и поперечного коэффициента тензочувствтельности. Учитывая, что при крутильных колебаниях происходит как продольная, так и поперечная деформация, это позволяет расположить тензорезисторы попарно-перпендикулярно на одной стороне деформирующейся перемычки. Резисторы попарно перпендикулярны друг другу для восприятия продольных и поперечных деформаций перемычки и объединены в мостовую схему таким образом, что два противоположных резистора имеют коэффициент тензочувствительности с одинаковым знаком, а два смежных резистора имеют коэффициент тензочувствительности с разными знаками. Это позволяет получить полную (четырехплечую) мостовую схему, которая характеризуется вчетверо большей чувствительностью, чем одиночный тензорезистор [Гридчин В.А. Драгунов В.П. Физика микросистем. Новосибирск, 2004. - 416 с.].
Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение чувствительности, увеличение добротности колебательной системы преобразователя и снижение потребляемой мощности.