РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ
RESONANCE PRESSURE TRANSDUCER

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 [1].
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является кремниевый резонансный преобразователь давления, содержащий воспринимающую мембрану, на которую воздействует измеряемое давление, резонатор, который смонтирован на воспринимающей мембране и который выполнен из полупроводникового материала. Резонатор состоит из колебательной балочной структуры, имеющей первую и вторую колебательные балки, которые размещены параллельно друг другу, и, по крайней мере, одной соединяющей перемычки, которая соединяет первую и вторую колебательные балки; управляющего колебательного контура, который изготовлен со стороны, по крайней мере, одной боковой поверхности в осевом направлении первой и второй колебательной балок и который выполнен из проводникового материала, а также воспринимающего колебательного контура, который изготовлен со сторон другой боковой поверхности в осевом направлении первой и второй колебательной балок соответственно и который выполнен из проводникового материала [2].
Общим недостатком аналога и прототипа 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.
Сила Лоренца, возникающая только в одной из балок, обеспечивает колебание не только балки, по которой протекает переменный ток, но и второй балки, соединенной с первой балкой перемычкой, и которая должна индуцировать возникающий во второй балке переменный ток в измерительную схему [2, 3, 4]. Таким образом, индуцированная электромагнитная сила выполняет работу по возбуждению колебаний в двух балках одновременно, что требует увеличения протекающего через первую колебательную балку переменного тока, что снижает чувствительность преобразования при заданном значении потребляемой мощности.
Изобретение направлено на повышение чувствительности преобразователя.
Согласно изобретению, в резонансном преобразователе давления, содержащем 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.
Введение предложенной конструкции, включающей резонатор, выполненный 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, позволяет повысить чувствительность за счет того, что ток, протекающий по проводящей дорожке, напыленной на поверхности плоско-параллельной пластины по ее периметру, имеет взаимообратные направления, то есть на пластину действуют две силы Лоренца, направленные в противоположные стороны, что обеспечивает при одинаковом заданном значении потребляемой мощности вдвое большую эффективность колебаний, т.е. вдвое повышает чувствительность преобразователя. При этом с тензорезистора, обеспечивающего восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины, снимается выходное напряжение переменного тока с частотой, равной частоте колебаний плоско-параллельной пластины при измеряемом давлении.
Предлагаемое устройство поясняется на фиг.1,2.
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 рамки, внутри которой на перемычках (4,5) подвешена плоско-параллельная пластина (6) с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой (7), которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор (8), обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины (6).
Принцип работы преобразователя заключается в следующем.
Измеряемое давление, воздействуя на плоско-параллельную пластину, изменяет резонансную частоту ее колебаний, вызываемых силами Лоренца, воздействующими на противоположные стороны плоско-параллельной пластины, со стороны постоянного магнита при пропускании через проводящую дорожку переменного тока, что, в свою очередь, вызывает изменение частоты колебаний перемычки с расположенным на ней тензорезистором, частота выходного напряжения на котором пропорциональна изменению измеряемого давления. Наличие конструкции, при которой проводящая дорожка расположена по периметру плоско-параллельной пластины таким образом, что возникающие две противоположно направленные силы Лоренца создают вращающий момент, обеспечивающий колебания плоско-параллельной пластины, позволяет вдвое повысить чувствительность преобразования за свет увеличения амплитуды колебаний плоско-параллельной пластины при одинаковом заданном значении потребляемой мощности. При этом с тензорезистора, обеспечивающего восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины, снимается выходное напряжение переменного тока с частотой, равной частоте колебаний плоско-параллельной пластины при измеряемом давлении.
Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение чувствительности.
Источники информации
1. 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.
2. Патент США №7013733, 2006.
3. Яворский Б.М., Детлаф А.А., 1990, Справочник по физике. 3-е изд. М.: Наука, Физматгиз, 624 с.
4. Джексон Р. «Новейшие датчики». Москва: Техносфера, 2007. - 384 с.