ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE GAUGE

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах измерения давления жидкостей и газов.
Известны МЭМС-датчики давления, основанные на измерении прогиба мембраны под действием измеряемого давления (например, EP 2520917, РФ 2324157, US 8316718).
Недостатком подобных датчиков является нестабильность характеристик, связанная, в частности, с необходимостью значительной деформации мембраны, вызывающей постепенное изменение ее свойств.
Известны также МЭМС-датчики давления, содержащие колебательные элементы в виде полос или мембран, амплитуда и/или частота колебаний которых зависит от плотности газа, зависящей, в частности, от измеряемого давления (заявка US 2011/0107838).
Недостатками их является зависимость эффекта от вида газа, практическая невозможность использования для измерения давления жидкостей.
Известен датчик давления жидкости, содержащий упругую мембрану, частота собственных колебаний которой зависит от степени ее упругой деформации, вызываемой измеряемой разностью давлений (заявка US 2011/0239773).
Кроме недостатков, присущих датчикам, основанным на измерении прогиба мембраны, он отличается сложностью конструкции.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является МЭМС-датчик давления, содержащий плоский резонатор, концы которого закреплены на краях канавок, выполненных в теле мембраны, форма которой меняется при изменении давления, влияя тем самым на натяжение и собственные частоты колебаний резонаторов (JP Appl. No. 2011-183857, US Appl. No. 2013/0047734).
Недостатком последнего аналога является сложность конструкции и сложность изготовления.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей датчика давления, упрощение его конструкции и технологии изготовления.
Указанная задача решается тем, что датчик выполнен в виде упругой круглой в плане мембраны (однослойной или многослойной) с одним концентрическим гофром или с несколькими концентрическими гофрами разных диаметров и резонаторами (резонатором), каждый из которых связан с мембраной с возможностью изменения его натяжения в соответствии с деформацией мембраны, для чего резонаторы (резонатор) выполнены в виде кольцевых полос, перекрывающих гофры и закрепленных на краях гофр, причем выполнены из магнитного материала или содержат дополнительный магнитный элемент (один или несколько), а измерительный блок содержит по крайней мере один электромагнит, выполненный с возможностью возбуждения колебания резонаторов и регистрации их колебаний. Обмоток электромагнитных может быть больше одной - в этом случае функции возбуждения и регистрации могут быть разделены между ними.
Поперечное натяжение резонаторов зависит от степени деформации упругой мембраны, т.е. от разности давлений газа или жидкости, оказываемых на ее противоположные поверхности. От поперечного натяжения резонатора зависит частота его собственных колебаний, а также длина продольной (тангенциальной) волны, образующейся в ней при внешнем возбуждении. В случае использования датчика, имеющего гофры и соответствующие резонаторы разных диаметров (или разных диаметров и с разной шириной), длины волн колебаний этих резонаторов и, соответственно, частоты колебаний, будут отличаться, благодаря тому, что при одном и том же давлении резонаторы с разными радиусами будут содержать отличающиеся гармоники колебаний, что связано с двумя причинами:
- продольные (вдоль окружности) колебания резонаторов зависят от их длины (длины окружности) и определяются, в частности, условиями образования стоячих волн;
- радиальное напряжение (сила, приходящаяся на единицу длины) при одной и той же разности давлений с двух сторон мембраны имеет большую величину у резонаторов с большим диаметром, чем у резонаторов с меньшим диаметром (благодаря, в частности, несферичности мембраны при деформации под действием давления).
Электромагнит измерительного блока может быть выполнен любым известным способом (ниже приведены варианты).
Вариантом предлагаемого датчика является датчик, у которого мембрана выполнена из двух наложенных друг на друга слоев с гофрами противоположного направления, а резонатор закреплен между ними. При таком исполнении повышается защищенность резонатора.
Вариантом предлагаемого изобретения, обеспечивающим избыточность данных о давлении, позволяющую не контролировать, например, температуру датчика, является датчик, имеющий разные по диаметру или разные по диаметру и ширине гофры на мембране и соответствующие им резонаторы. Как было отмечено выше, при каждом значении измеряемого давления (дифференциального давления) каждый из резонаторов генерирует, при возбуждении колебаний в них, свои гармоники, то есть каждому давлению соответствует определенный спектр частот, генерируемых в приемной катушке. Амплитуды гармоник не имеют значения при условии, что их удается зарегистрировать.
Электромагнит измерительного блока может быть выполнен в виде обмотки, концентричной мембране и с диаметром не меньше, чем диаметр мембраны.
Вариантом предлагаемого изобретения является датчик, у которого измерительный блок содержит электромагнитную обмотку, сформированную на противоположной резонатору поверхности мембраны с возможностью ее деформации при деформации мембраны. Данная обмотка может быть:
- концентрической по отношению к мембране;
- быть локальной (неконцентрической), например в виде «пятна» - микроспирали на одном гофре или набора таких микроспиралей, соединенных, например, последовательно;
- иметь сложную форму, определяемую выбранным вариантом исполнения датчика.
При выполнении подобной спирали на кремниевой, например, мембране путем напыления алюминиевых или золотых дорожек последние могут иметь толщину, не влияющую существенно на механические свойства мембраны.
В варианте, при котором электромагнитная обмотка выполнена вытянутой в радиальном направлении мембраны и пересекающей несколько гофров с резонаторами, повышается избирательность датчика по отношению к регистрации гармоник - за счет регистрации локальных колебаний без их усреднения по всей площади мембраны (как это, например, происходит в в описанном выше варианте с концентрической обмоткой). Таких вытянутых обмоток может быть больше одной.
Вариантом предлагаемого изобретения является датчик, каждый из кольцевых резонаторов которого имеет немагнитную и магнитную части (распределенные вдоль окружности), причем магнитная часть имеет протяженность вдоль кольца резонатора порядка полудлины самой короткой из расчетных стоячих волн в резонаторе. При таком исполнении также повышается разрешение частот, в том числе при обмотках, фиксирующих сигнал со всей поверхности мембраны (а не с локальных областей резонаторов).
Магнитные части разных кольцевых резонаторов могут лежать на одной радиально направленной прямой.
Последний вариант может быть развит тем, что измерительный блок содержит электромагнитную обмотку, сформированную на противоположной резонатору поверхности мембраны с возможностью ее деформации при деформации мембраны, причем обмотка выполнена вытянутой в радиальном направлении вдоль линии расположения магнитных участков резонаторов.
Предлагаемый датчик давления может быть выполнен в варианте, предохраняющем разрушение (разрыв) резонатора при превышении допустимых давлений. Для этого мембрана выполнена так, что длина гофра (каждого гофра) g в поперечном его сечении между местами крепления к гофру резонатора и расстояние r между этими местами по прямой в том же сечении таковы, что отношение (g-r)/r не превышает допустимого относительного удлинения материала резонатора. При выполнении данного условия даже при полном выпрямлении гофров резонаторы не будут повреждены.
Градуировка датчика давления может быть произведена расчетным путем или экспериментально.
На Фиг.1 схематично (без электронной схемы блока управления) изображен вариант предлагаемого датчика в разрезе. Цифрами указаны:
1 - мембрана,
2 - резонатор из немагнитного материала,
3 - магнитные элементы,
4 - обмотка измерительного блока.
На Фиг.2 тот же вариант датчика изображен в плане, а пунктиром отмечено расположение границ радиально ориентированной обмотки.
На Фиг.3 приведен рисунок фрагмента датчика в аксонометрии.
Примером конкретного исполнения может служить датчик давления с двойной мембраной из кремния толщиной 1,0 мкм с гофрами трапецеидальной формы со сторонами, равными по 0,1 мкм, меньшим основанием 1,0 мкм и высотой 0,05 мкм, с резонатором из полиамидной пленки толщиной 0,1 мкм с нанесенными на нее в области трех гофр, ближних к краю мембраны, частицами ферромагнетика в радиальной полосе шириной 1,0 мкм. Вдоль этой радиальной полосы с другой от резонаторов стороны мембраны нанесена вытянутая трехслойная 100-витковая спираль из полоски золота толщиной 0,1 мкм и шириной 0,1 мкм. Измерительный блок включает также интегральную твердотельную электронную схему, выполняющую функцию генерации и подачи импульса возбуждения колебаний резонаторов амплитудой 1,0 В и длительностью 1,0 мс, функцию регистрации с чувствительностью 1 мкВ и функцию анализатора частот. Эта конструкция выполняется путем формирования из оксида кремния двух мембран с гофрами в подложках кремния путем фотолитографии и травления, формирования на одной из мембран многослойной обмотки, нанесения через маску на предварительно растянутую (как на пяльцах) полиамидную пленку клеящего состава и полосы из феррочастиц, совмещения и бондирования трех описанных элементов. Твердотельная схема формируется в подложке общей с одной из двух частей мембраны. На Фиг.4 приведена зависимость механического напряжения от прикладываемой силы (в области второго с краю мембраны резонатора - для приведенного примера).
Предлагаемый датчик давления имеет простую и надежную конструкцию, может быть изготовлен по хорошо известным технологиям, избыточность снимаемых с него данных повышает точность и помехоустойчивость, предусмотрен вариант исполнения, защищенного от недопустимо высоких давлений.