CH681047A5 - Measuring parameter, esp. pressure difference, using Fabry-Perot detector - controlling optical length of detector according to output parameter to determine working point on graph - Google Patents

Measuring parameter, esp. pressure difference, using Fabry-Perot detector - controlling optical length of detector according to output parameter to determine working point on graph Download PDF

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CH681047A5
CH681047A5 CH344691A CH344691A CH681047A5 CH 681047 A5 CH681047 A5 CH 681047A5 CH 344691 A CH344691 A CH 344691A CH 344691 A CH344691 A CH 344691A CH 681047 A5 CH681047 A5 CH 681047A5
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fabry
perot
detector
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optical length
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CH344691A
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Beat Haelg
Zeno Stoessel
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Landis & Gyr Betriebs Ag
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Abstract

Measuring a parameter which influences the optical length of a Fabry-Perot sensor involves modifying a light beam of infinite coherence length in the sensor and feeding it to a Fabry-Perot detector with a light sensitive element. The element produces an output signal dependent on the beam further modified by the detector. The detector's optical length is controlled using an electrical control parameter, with which it has a definite relationship, depending on the output parameter so that a distinguished point on a graph is defined as the working point. The measurement parameter is determined from the control parameter. The graph shows the relationship between the output and the difference between the sensor and detector optical lengths. USE/ADVANTAGE - Esp. for measuring press, differences in flow measurement devices. Simple, low-cost control and evaluation electronics can be used.

Description

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

CH 681 047 A5 CH 681 047 A5

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgrösse gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Fabry-Perot-Detektor zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Bestimmung von Druckdifferenzen, wie sie etwa in Durchflussmessgeräten vorgenommen wird. The invention relates to a method for determining a measurement parameter according to the preamble of claim 1 and a Fabry-Perot detector for carrying out the process 7 according to the preamble of the claim, the method is particularly suitable for determining pressure differences as it is carried about in flowmeters ,

Die der Erfindung zugrundeliegende Technologie ist zB in JM Vaughan: The Fabry-Perot Inter-ferometer, History, Theory, Practice and Applications, Verlag Adam Hilger, Bristol and Philadelphia, umfassend dargestellt. The underlying technology of the invention is, for example, in JM Vaughan: The Fabry-Perot Inter-ferometer, History, Theory, Practice and Applications, published by Adam Hilger, Bristol and Philadelphia, comprehensively.

Es ist ein gattungsgemässes Verfahren bekannt (DE 3 816 529 A1), bei weichem der Fabry-Perot-Detektor periodisch durchgestimmt und so jene Wellenlänge bestimmt wird, bei der die Transmission durch den Fabry-Perot-Sensor minimal ist. It is a generic method is known (DE 3816529 A1), wherein the soft Fabry-Perot detector periodically tuned and so that wavelength is determined, wherein the transmission through the Fabry-Perot sensor is minimal. Daraus wird die optische Länge des Fabry-Perot-Sensors und damit der Wert der Messgrösse bestimmt. From this, the optical length of the Fabry-Perot sensor and thus the value of the measured variable is determined.

Dieses Verfahren bedingt eine aufwendige Elektronik zur Steuerung des Fabry-Perot-Detektors und zur Auswertung seines Ausgangssignais, die insbesondere kaum ohne digitale Komponenten auskommt. This process requires a complex electronics to control the Fabry-Perot detector and to evaluate its Ausgangssignais which manages in particular hardly without digital components.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemässes Verfahren sowie einen Fabry-Perot-Detektor zu dessen Durchführung anzugeben, bei welchem eine einfache, kostengünstig herstellbare Regel- und Auswerteelektronik genügt. In contrast, it is the object of the invention to provide a generic method and to provide a Fabry-Perot detector for its implementation, in which a simple, inexpensive to produce control and evaluation electronics is sufficient.

Die Erfindung, wie sie in der Kennzeichnung des Anspruchs 1 definiert ist, schafft ein Verfahren, welches mit rein analoger Elektronik durchführbar ist. The invention as defined in the marking of claim 1, provides a method which can be carried out using purely analog electronics. Ausserdem bietet dasselbe eine hohe Empfindlichkeit und eine Dynamik, die nur durch die mechanisch-optischen Eigenschaften der verwendeten Sensoren und Detektoren beschränkt ist. Also provides the same high sensitivity and a dynamic range that is limited only by the mechanical-optical characteristics of the sensors and detectors used. Der in der Kennzeichnung des Anspruchs 7 definierte Fabry-Perot-De-tektor ist ebenfalls einfach aufgebaut und günstig herstellbar und kann mit der Elektronik zu einem Bauteil integriert werden. The defined in the marking of claim 7 Fabry-Perot-De-Tektor is also simple in construction and inexpensive to manufacture and can be integrated with electronics to form a component.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von nur Ausführungsbeispielen darstellenden Zeichnungen näher erläutert. In the following the invention is explained in detail with reference to illustrative embodiments only of drawings. Es zeigen Show it

Fig. 1 eine schematische Übersicht über eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäs-sen Verfahrens, Fig. 1 is a schematic overview of an apparatus for carrying out the method erfindungsgemäs-sen,

Fig. 2 einen Differentialdruck-Fabry-Perot-Sensor der Vorrichtung nach Fig. 1 im Querschnitt, Fig. 2 shows a differential pressure Fabry-Perot sensor of the apparatus according to Fig. 1 in cross section,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Fabry-Perot-Detektor nach einer ersten Ausführungsform, Fig. 3 shows a cross section through an inventive Fabry-Perot-detector according to a first embodiment;

Fig. 4a einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Fabry-Perot-Detektor nach einer zweiten Ausführungsform, FIG. 4a a cross-section through an inventive Fabry-Perot-detector according to a second embodiment;

Fig. 4b eine Draufsicht auf einen Teil des Fabry-Perot-Detektors nach Fig. 4a, FIG. 4b is a plan view of a portion of the Fabry-Perot detector according to Fig. 4a,

Fig. 4c ein Prinzipschaltbild des Fabry-Perot-Detektors nach Fig. 4a, b Fig. 4c is a schematic diagram of the Fabry-Perot detector according to Fig. 4a, b

Fig. 5 eine das Transmissions- und Reflexionsverhalten von Fabry-Perot-Interferometern wesentlich bestimmende Funktion und Fig. 5 is a the transmission and reflection behavior of Fabry-Perot interferometers substantially determining function and

Fig. 6 schematisch einen erfindungsgemässen Fabry-Perot-Detektor mit Regelelektronik. Fig. 6 shows schematically an inventive Fabry-Perot detector with control electronics.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird mittels eines Fabry-Perot-Sensors 1 (Fig. 1) und einer Lichtquelle 2, welche denselben beleuchtet, sowie einem Fabry-Perot-Detektor 3, auf den das vom Fabry-Perot-Sensor 1 reflektierte Licht mittels eines Lichtleiters 4 geleitet wird und der mit einer Regelelektronik 5 verbunden ist, durchgeführt. The inventive method is by means of a Fabry-Perot sensor 1 (Fig. 1) and a light source 2 which illuminates the same, and a Fabry-Perot-detector 3, the light reflected by the Fabry-Perot sensor 1 light by a light guide 4 is led and which is connected to an electronic control unit 5 is performed. Dabei liefert die Lichtquelle 2 Licht von endlicher Kohärenzlänge, dessen Spektrum etwa einem um eine mittlere Wellenlänge Xo zentrierten Intervall der Länge 8 entsprechen kann. The light source 2 provides light of finite coherence length, the spectrum of which may correspond to about a centered about a central wavelength Xo interval of length. 8

Der Fabry-Perot-Sensor 1, der ausführlich in der EP-A 0 460 357 beschrieben ist, besteht (Fig. 2) aus einer Trägerplatte 6 aus Glas und einem Membranblock 7 aus einkristallinem Silicium mit einer Membran 8 zwischen Membranträgern 9, die von seitlich begrenzenden Stützwänden 10 durch eine Entkopplungsfuge 11 getrennt sind. The Fabry-Perot sensor 1, which is described in detail in EP-A 0460357, consists (Fig. 2) of a carrier plate 6 made of glass, and a reed valve 7 of single crystalline silicon having a diaphragm 8 between the membrane supports 9, of laterally limiting the support walls are separated by a Entkopplungsfuge 11 10th Eine der Stützwände 10 ist durch einen Einlasskanai 12 durchbrochen. One of the supporting walls 10 is pierced by a Einlasskanai 12th Die Membran 8 und die Trägerplatte 6 tragen einander gegenüberliegende planparallele Spiegel 13a, b aus Platin - es können hier wie beim Fabry-Perot-Detektor 3 auch andere Metalle verwendet werden, aber Platin wird wegen seiner hohen Korrosionsbeständigkeit bevorzugt -, welche ein Fabry-Perot-Inter-ferometer bilden. The membrane 8 and the support plate 6 carry opposed plane-parallel mirrors 13a, b of platinum - it can be used herein as in the Fabry-Perot-detector 3 also other metals, however, platinum is preferred because of its high corrosion resistance - which is a Fabry-Perot -Inter-ferometer form. Weicht der Druck im Inneren des Sensors von demjenigen in einer Vertiefung 14, welche von den Membranträgern 9 und der Membran 8 begrenzt wird, ab, so biegt sich die Membran 8 mit steigendem Druckunterschied mehr und mehr durch, so dass sich die optische Länge des Fabry-Perot-Sensors 1 in eindeutiger Abhängigkeit von der Druckdifferenz ändert. Gives way to the pressure in the interior of the sensor from that in a recess 14 which is bounded by the membrane supports 9 and the membrane 8, ab, so the diaphragm 8 deflects with increasing pressure difference more and more, so that the optical length of the Fabry -Perot sensor 1 varies in unambiguous dependency of the pressure difference.

Der dargestellte Fabry-Perot-Sensor 1 ist als Differenzdrucksensor zur Messung des Durchflusses in einer Leitung 15 eingesetzt. The illustrated Fabry-Perot sensor 1 is used as a differential pressure sensor for measuring the flow in a conduit 15th Die Vertiefung 14 ist durch eine erste Öffnung 16 mit der Leitung 15 verbunden, das Innere des Sensors durch den Einlasskanal 12 und eine zweite, stromabwärts von der ersten Öffnung 16 gelegene zweite Öffnung 17. Da für den Durchfluss The recess 14 is connected through a first orifice 16 with the conduit 15, the interior 17 of the sensor through the inlet channel 12 and a second location downstream from the first opening 16 second opening, since for the flow

Q- v/SP Q v / SP

2 2

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

CH 681 047 A5 CH 681 047 A5

gilt, so ist die durch die Druckdifferenz Ap bewirkte Änderung der optischen Länge des Fabry-Perot-Sensors 1 ein eindeutiges Mass für den Durchfluss Q. applies, so that caused by the pressure difference Ap change in the optical length of the Fabry-Perot sensor 1 is an unambiguous measure for the flow Q.

Der Fabry-Perot-Detektor 3 (Fig. 3; 4a, b) weist gleichfalls eine Trägerplatte 18 aus Glas auf sowie einen Membranblock 19 aus n-dotiertem Silicium, welcher mit der Trägerplatte 18 durch anodisches Bonden verbunden ist. The Fabry-Perot detector 3 (Fig. 3; 4a, b) likewise has a support plate 18 made of glass, and a reed valve 19 of n-doped silicon, which is connected to the support plate 18 by anodic bonding. Zwischen seitlichen Stützwänden 20 ist eine Membran 21 eingespannt, welche eine Vertiefung 22, die eine Fabry-Perot-Kavität bildet, abschliesst und an der von der Vertiefung 22 abgewandten Seite in einer weiteren Vertiefung an der Rückseite des Membranblocks 19 einen Zentralkörper 23 trägt. Between lateral support walls 20, a diaphragm 21 is clamped, which has a recess 22, which forms a Fabry-Perot cavity closes, and carries a central body 23 at the side remote from the recess 22 side, in a further recess on the rear side of the diaphragm block 19th Diese Konstruktion erlaubt eine Veränderung der optischen Länge unter dem Einfluss einer auf die Membran 21 wirkenden Kraft, während die Versteifung durch den Zentralkörper 23 Deformationen derselben im optisch aktiven mittleren Bereich verhindert. This construction allows a change in the optical length under the influence of a force acting on the diaphragm 21 force while the stiffening of the central body 23 to prevent deformation thereof in the optically active central area. Die Trägerplatte 18 trägt einen ersten Spiegel 24 aus Platin, während der gegenüberliegende Teil der Membran 21 an der die Vertiefung 22 begrenzenden Oberfläche, die einen zweiten Spiegel und damit zusammen mit dem ersten Spiegel 24 ein Fabry-Perot-Interferometer bildet, eine p-dotierte Schicht 25 aufweist, welche zusammen mit dem umgebenden n-dotierten Material eine Photodiode bildet und von einem unmittelbar angrenzenden p-^-dotierten Ring 26 umgeben ist, der über einen gleichfalls p++-dotierten Streifen 27 eine gut leitende Verbindung der p-dotierten Schicht 25 mit einem Bondanschluss 28 herstellt (in Fig. 3 nicht dargestellt, s. Fig. 4a und Fig. 4b, die den Membranblock 19 von Fig. 4a in der Draufsicht zeigt). The support plate 18 carries a first mirror 24 made of platinum, while the opposite part of the diaphragm 21 at which the recess 22 bounding surface which thus forms a second mirror and together with the first mirror 24, a Fabry-Perot interferometer, a p-doped layer 25 comprising forming together with the surrounding n-doped material has a photodiode and of an immediately adjacent p - ^ - doped ring is surrounded 26 with a likewise p ++ - doped strip 27 a good conductive connection between the p-doped layer 25 with a bonding terminal 28 establishes (not shown in Fig. 3, s. Fig. 4a and Fig. 4b shows the diaphragm block 19 of FIG. 4 in plan view). Das n-dotierte Material der Membran 21 ist mit einem n++-dotierten offenen Ring 32 - es könnte auch eine andere Form gewählt werden, entscheidend ist die gute Kontaktierung der Oberfläche der Membran 21 kontaktiert, der den p++-dotier-ten Ring 26 aussen umgibt und durch einen n++-dotierten Streifen 33 mit einem weiteren Bondanschluss 34 verbunden ist. The n-doped material of the membrane 21 is connected to an n ++ - doped open ring 32 - it could also be chosen a different shape, crucial that good contact with the surface of the membrane 21 is contacted, the p ++ - surrounds the outside doped ring 26 and an n ++ - doped connected strip 33 to another bonding pad 34th Die beiden Bondanschlüsse 28 und 34 dienen zum Verbinden der Photodiode mit der Regelelektronik 5. Selbstverständlich können die Dotierungen des Membranblocks 19 vertauscht werden. The two bonding pads 28 and 34 serve to connect the photodiode to the control electronics 5. Of course, the dopings of the diaphragm block 19 can be interchanged.

Bei der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführung sitzt der Membranblock 19 auf einem Träger 29 aus Glas, welcher eine erste Steuerelektrode 30 trägt, die mit einem weiteren elektrischen Anschluss (nicht dargestellt) verbunden ist. In the illustrated in Fig. 3 the first embodiment of the reed valve 19 sits on a support 29 made of glass, which carries a first control electrode 30, which is connected to another electrical connection (not shown). Die erste Steuerelektrode 30 bildet zusammen mit der unteren Grenzschicht des Zentralkörpers 23, die als zweite Steuerelektrode wirkt, eine Steuerkapazität. The first control electrode 30 forms together with the lower boundary of the central body 23, which acts as a second control electrode, a control capacity. Durch Anlegen eines Potentials an die erste Steuerelektrode 30 - der Membranblock 19 liegt im wesentlichen auf Massepotential - wird auf den Zentralkörper 23 eine elektrostatische Kraft ausgeübt, welche denselben nach unten zieht und damit die optische Länge des Fabry-Perot-Detektors 3 vergrössert. By applying a potential to the first control electrode 30 - the diaphragm block 19 is substantially at ground potential - is applied to the central body 23, an electrostatic force, which the same pulls down and thus increases the optical length of the Fabry-Perot detector. 3 Der Zentralkörper 23 bewirkt zugleich, dass die Membran 21 im mittleren, optisch aktiven Bereich plan bleibt, da nur der den Zentralkörper 23 umgebende dünne Membranring merklich durchgebogen wird. The central body 23 causes at the same time that the diaphragm 21 remains in the central, optically active region plane, since only the thin membrane 23 surrounding ring is bent appreciably the central body. Für die auf die Membran 21 ausgeübte elektrostatische Kraft gilt applies to the force exerted on the diaphragm 21 electrostatic force

F ~ V2, F ~ V2

wobei V die angelegte Potentialdifferenz bezeichnet. where V is the applied potential difference.

Bei der zweiten Ausführung nach Fig. 4a, b ist der erste Spiegel 24 mit einem Bondanschluss 31 verbunden und dient zugleich als erste Steuerelektrode, während ein den Ring 26 umgebender nicht ganz geschlossener Ring 32 aus n^-dotiertem Material eine zweite Steuerelektrode bildet. In the second embodiment according to Fig. 4a, b, the first mirror 24 is connected to a bonding pad 31 and serves as a first control electrode, while the ring 26 surrounds not entirely closed ring 32 constitutes a second control electrode of n ^ doped material. Der Ring 32 ist über einen gleichfalls n++-dotierten Streifen 33 mit einem Bondanschluss 34 verbunden. The ring 32 is likewise a n ++ - doped strip 33 connected to a bonding terminal 34th Der Membranblock 19 ist auf der Oberseite mit einer Siliciumdioxidschicht überzogen, die den Membranblock 19 vom ersten Spiegel 24 und dem Bondanschluss 31 galvanisch trennt und ausserdem einen Korrosionsschutz darstellt. The diaphragm block 19 is covered on the top with a silicon dioxide layer 19 electrically separates the membrane from the first mirror block 24 and the bonding pad 31 and also represents a protection against corrosion. Diese Ausführung ist besonders kompakt und wirtschaftlich herstellbar. This version is particularly compact and economical to produce.

Wie am besten aus Fig. 4C ersichtlich, liegt die Steuerkapazität zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen des elektrisch leitenden Spiegels 24 und der Membran 21 mit gleichfalls leitender oberflächennaher Schicht. As best seen in Fig. 4C seen, the control capacity is between the facing surfaces of the electrically conductive mirror 24 and the membrane 21 also close to the surface of conductive layer. Der Ring 26 und die p-dotierte Schicht 25 weisen eine geringe Potentialdifferenz zum Zentralkörper 23 auf, die sich über der Sperrschicht der Photodiode aufbaut. The ring 26 and the p-doped layer 25 have a small potential difference to the central body 23, which develops across the barrier layer of the photodiode. Die Steuerkapazität entspricht daher einer Serieschaltung der Sperrschichtkapazität CSp der Photodiode mit einer Kapazität Ck des über der Photodiode liegenden Teils der Kavität des Fabry-Perot-Detektors 3, zu der eine Randkapazität Cr für den ausserhalb der Photodiode liegenden Bereich parallel liegt. Therefore, the driving capacity corresponding to a series connection of the junction capacitance CSp the photodiode with a capacitance Ck of the above the photodiode lying part of the cavity of the Fabry-Perot detector 3, at which a fringe capacitance Cr for the lying outside of the photodiode area is located parallel. Zwischen dem Bondanschluss 31 einerseits und den beiden Bondanschlüssen 28 und 34 andererseits liegt die der Steuerung der optischen Länge des Fabry-Perot-Detektors 3 dienende Potentialdifferenz V. Die resultierende Kraft F~V2 biegt den ausserhalb des Zentralkörpers 23 umlaufenden dünnen Membranring durch und verringert die optische Länge des Fabry-Perot-Detektors 3 proportional zum Quadrat der angelegten Potentialdifferenz V. Between the bond pads 31 on the one hand and the two bonding pads 28 and 34 on the other hand the control of the optical length of the Fabry-Perot detector 3 serves potential difference V. If the resulting force F ~ V2 bends the outside of the central body 23 encircling thin membrane ring through and reduces the optical length of the Fabry-Perot detector 3 is proportional to the square of the applied potential difference V.

Der Fabry-Perot-Detektor 3 weist in einer Ausführung eine Seitenlänge von etwa 6mm auf. The Fabry-Perot detector 3 has a side length of about 6 mm in one embodiment. Die Trägerplatte 18 und der Träger 29 bestehen aus PYREX®-Glas von 0,5 mm Dicke. The support plate 18 and the support 29 are made of Pyrex® glass of 0.5 mm thickness. Die Gesamtdicke des Detektors, dessen Membranblock 19 durch bekannte Ätzverfahren monolithisch aus dem üblichen Wafer-material hergestellt ist, beträgt etwa 1,6 mm. The total thickness of the detector, the reed valve 19 is made by known etching monolithically from the conventional wafer material, is about 1.6 mm.

Im folgenden wird nun das erfindungsgemässe Verfahren erläutert. In the following, the inventive method will be explained.

Bezeichnet man mit U die optische Länge des Fabry-Perot-Sensors 1, so kann dessen Reflexivität als Funktion der Wellenlänge in erster Näherung beschrieben werden durch is denoted by U, the optical length of the Fabry-Perot sensor 1, its reflectivity can be described as a function of wavelength in first approximation by

3 3

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

CH 681 047 A5 CH 681 047 A5

rs(X) = Bs - Ascos(4jeLsA.). rs (X) = B - Ascos (4jeLsA.).

Die Transmissivität des Fabry-Perot-Detektors 3 ist ähnlich tû(^) = Bd + Adcos(4jiLdA.), The transmissivity of the Fabry-Perot detector 3 is similar tû (^) = Vol + Adcos (4jiLdA.)

wobei Ld die optische Länge des Fabry-Perot-Detektors 3 bedeutet. where Ld denotes the optical length of the Fabry-Perot detector. 3 As, Bs, Ad und Bd sind Konstanten. As, Bs, Ad and Bd are constants. Im ganzen erhält man, zieht man die weiter oben getroffenen Annahmen über das Spektrum der Lichtquelle in Betracht, für den zur Intensität des durch die Photodiode des Fabry-Perot-Detektor 3 aufgefangenen Lichts proportionalen von demselben abgegebenen Photostrom The whole is obtained, it pulls the further assumptions made above about the spectrum of the light source into consideration, proportional to the intensity of the captured by the photo diode of the Fabry-Perot detector 3 light emitted by the same photocurrent

I = C f*°+7 d(A) rß(X) tDa) äX, I = C * f + 7 ° d (A) RSS (X) TDA) AEX

o~"2 o ~ '2

wobei C eine Konstante ist und d gewisse wellenlängenabhängige Grössen wie Absorptionsverluste zu-sammenfasst. where C is a constant and d certain wavelength-dependent parameters such as absorption losses to-sammenfasst. Die Rechnung führt weiter auf The bill continues to

I = C {BsBd - AsBdP(Ls) + BsAdP(Ld) I = C {BsBd - AsBdP (Ls) + BsAdP (Ld)

-1/2 AsAd [P(Ls-Ld) + P(Ls+Ld)]}, -1/2 Asad [P (Ls Ld) + P (Ls + Ld)]},

wobei x +— wherein x + -

P(x) = f ° ô2 d(A) cos(4îtx/A) dx P (x) = f o2 ° d (A) cos (4îtx / A) dx

Jx°~z Jx ° ~ z

« k[sin(27Tx/k)/(2?rx) ]cos(4irx/X0) "K [sin (27Tx / k) / (2? Rx)] cos (4irx / X0)

ist mit k = Ao2/8 der Kohärenzlänge. with k = Ao2 / 8 of the coherence length. Die Funktion P(x) ist in Fig. 5 dargestellt. The function P (x) is shown in Fig. 5. Da sie verhältnismässig rasch abfällt, sind für genügend grosse optische Längen Ls, Ld die Terme CBsBd und 1/2CAsAdP(Ls-Ld) die dominierenden Beiträge zur Intensität des Photostroms I, so dass der Graph der die Abhängigkeit desselben von der Differenz der optischen Längen des Fabry-Perot-Sensors 1 und des Fabry-Perot-Detektors 3 beschreibenden Funktion abgesehen von einer Multiplikation mit einem konstanten Faktor und der Addition einer Konstanten dem in Fig. 5 dargestellten Graphen der Funktion P(x) entspricht. Since it falls relatively quickly, are of sufficiently large optical lengths Ls, Ld, the terms CBsBd and 1 / 2CAsAdP (Ls Ld) the dominant contributions to the intensity of the photoelectric current I, so that the graph of the same dependence on the difference of the optical lengths of the Fabry-Perot sensor 1 and of the Fabry-Perot detector 3 describing function apart from a multiplication by a constant factor and the addition of a constant in Fig. graph of the function P shown in Figure 5 (x) corresponds.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann nun, etwa, indem die an den Fabry-Perot-Detektor 3 angelegte Regelspannung über eine Rampe variiert und das absolute Maximum der Abweichung des Photostroms vom Hintergrundwert CBsBd aufgesucht wird, so kalibriert werden, dass in einer Grundeinstellung bei verschwindender Druckdifferenz am Fabry-Perot-Sensor 1 LD gleich Ls wird. The apparatus of FIG. 1 can now, for example, by the voltage applied to the Fabry-Perot detector 3 control voltage varies over a ramp and the absolute maximum of the deviation of the photocurrent is retrieved from the background value CBsBd, calibrated so that, when in a basic setting vanishing pressure differential across the Fabry-Perot sensor 1 is equal to LD Ls. Im Betrieb wird dann dieser durch Gleichheit der optischen Längen Ls und Ld gekennzeichnete Arbeitspunkt durch die Regelelektronik 5 festgehalten, wie im folgenden näher erläutert wird. This operating point marked by equality of optical lengths Ls and Ld is then held by the control electronics 5, in operation, as will be explained in more detail below. Wird statt eines reflexiv ein transmissiv arbeitender Fabry-Perot-Sensor benützt, so ändern sich gewisse Vorzeichen, was Anpassungen der Regelelektronik 5 bedingt, das Funktionsprinzip ist jedoch das gleiche. Is reflexive uses a transmissive working Fabry-Perot sensor instead of a, then some sign of what adjustments to the control electronics 5, the operating principle, however, is due the same change.

Über eine Leitung 35 (Fig. 6) wird der Photostrom I an die Regelelektronik 5 geleitet, in einem Vorverstärker 36 verstärkt und in einem Multiplizierer 37 mit einer von einem Wechselspannungsgenerator 38 erzeugten Wechselspannung multipliziert und in einem analogen Integrierer 39 integriert. the photocurrent I is transmitted to the control electronics 5 via a line 35 (Fig. 6), amplified in a preamplifier 36 and multiplied in a multiplier 37 with a generated by an AC voltage generator 38 AC voltage, and integrated in an analog integrator. 39 Das Ausgangssignal des Integrierers 39 liegt einerseits an der Ausgangsklemme 40 und wird andererseits an einen analogen Subtrahierer 41 geleitet, wo ihm die vom Wechselspannungsgenerator 38 erzeugte Wechselspannung als Tastfunktion überlagert wird. The output signal of the integrator 39 is on the one hand at the output terminal 40 and on the other hand led to an analog subtractor 41, where the alternating voltage produced by the AC voltage generator 38 is superposed as a push-button function him. Das so zusammengesetzte Signal wird als Regelspannung über eine Leitung 42 an den Fabry-Perot-Detektor 3 geleitet, wo es an der Steuerkapazität anliegt und die optische Länge LD desselben beeinflusst. The thus synthesized signal is fed as a control voltage via a line 42 to the Fabry-Perot detector 3 where it abuts the control capacity and influences the optical length thereof LD.

Arbeitet die Vorrichtung nun genau am Arbeitspunkt, um welchen der Graph der Intensitätsfunktion (s. Fig. 5) mindestens in einer kleinen Umgebung im wesentlichen symmetrisch ist, so bewirkt die überlagerte Wechselspannung, dass die den Photostrom I determinierende Differenz Ls-Ld der optischen Längen des- Fabry-Perot-Sensors 1 und des Fabry-Perot-Detektors 3 nun eine kleine Schwingung mit der Frequenz der Wechselspannung um den Arbeitspunkt ausführt. the apparatus works now exactly at the operating point about which the graph of the intensity function (s. Fig. 5) is substantially symmetrical at least in a small neighborhood, so causing the ripple voltage that the photocurrent I determinant difference Ls-Ld of the optical lengths DES Fabry-Perot sensor 1 and of the Fabry-Perot detector 3 now performs a small oscillation with the frequency of the AC voltage to the operating point. Da die Intensitätsfunktion um den Arbeitspunkt symmetrisch ist, führt das dazu, dass dem Photostrom I eine Schwingung mit der doppelten Frequenz der Wechseispannung überlagert wird. Since the intensity function is symmetrical about the operating point, which means that the photocurrent I is an oscillation with double the frequency of AC voltage is superimposed. Wird deren im Multiplizierer 37 erzeugtes Produkt im Integrierer 39 integriert, so ist das Resultat Null. Is generated in the multiplier 37 the product in the integrator 39 integrates, so the result is zero.

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Ändert sich nun durch eine Änderung der Druckdifferenz die optische Länge Ls des Fabry-Perot-Sensors 1 geringfügig, so verschiebt sich der Arbeitspunkt etwas vom Nullpunkt weg, so dass die Intensitätsfunktion nun nicht mehr um den Arbeitspunkt symmetrisch ist und das Ausgangssignal eine Komponente mit der Frequenz der vom Wechselspannungsgenerator 38 erzeugten Wechselspannung enthält. Now, the optical length Ls of the Fabry-Perot sensor 1 is changed slightly by a change in the pressure difference, so the operating point shifts slightly away from the zero point, so that the intensity function now is symmetrical no longer about the operating point and the output signal of a component with the contains frequency of the AC voltage generated by the AC voltage generator 38th Dadurch wird das Integral des im Multiplizierer 37 erzeugten Produkts ungleich Null und die Ausgangsspannung des Integrierers 39 ändert sich entsprechend. Characterized the integral of the signal generated at the multiplier 37 the product equal to zero and the output voltage of the integrator 39 will change accordingly. Sie wird schliesslich, nach Überlagerung mit der Wechselspannung im Subtrahierer 41, über die Leitung 42 an die Metallelektrode 30 geleitet, so dass die Regelspannung angepasst wird, bis die optische Länge Ld des Fabry-Perot-Detektors 3 wieder der des Fabry-Perot-Sensors 1 entspricht und der Arbeitspunkt wieder erreicht ist. It is finally passed to overlay with the AC voltage in the subtractor 41, via the line 42 to the metal electrode 30 so that the control voltage is adjusted until the optical length Ld of the Fabry-Perot detector 3 again of the Fabry-Perot sensor 1 corresponds to and the operating point is reached again.

Das Prinzip funktioniert auch bei Wahl eines anderen Extremums als Arbeitspunkt, jedoch ist die Wahl des Nullpunkts am günstigsten, weil die Vorrichtung hier die höchste Auflösung hat und der Nullpunkt von Eigenschaften der Lichtquelle 2 wie mittlerer Wellenlänge Xo und Kohärenzlänge k unabhängig ist. The principle also works for selection of another extremum as operating, but the choice of the zero point is best, because the device has the highest resolution here and the zero point of characteristics of the light source 2 as medium wavelength Xo and coherence length is k independent. Das impliziert auch eine sehr hohe Temperaturstabilität des Messprinzips, wenn man in Betracht zieht, dass die Fabry-Perot-Kavitäten evakuiert oder mit Materialien mit sehr geringer Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Temperatur gefüllt sein können wie Luft, Wasser oder Öl. This also implies a very high temperature stability of the measuring principle, if one considers that the Fabry-Perot cavities evacuated or be filled with materials with very low dependence of the refractive index on the temperature can be such as air, water or oil. Die Dynamik der Vorrichtung unterliegt keiner der bei Fabry-Perot-Sensoren gewöhnlich gegebenen prinzipiellen Beschränkungen. The dynamics of the device is not subject to the usual given in Fabry-Perot sensors principal limitations.

Bei Einsätzen, bei denen transiente Störungen auftreten können, ist es nicht auszuschliessen, dass sich das System vom Nullpunkt entfernt und auf einem Arbeitspunkt stabilisiert, welcher einem Nebenmaximum des in Fig. 5 dargestellten Graphen entspricht. For operations in which transient interference can occur, it is not excluded that the system is away from the zero point and stabilized at an operating point of the corresponding to a secondary maximum in Fig. Graph shown in Figure 5. Durch gezielte Ladungsinjektionen in den Integrator 39 kann der Arbeitspunkt dann jeweils auf ein benachbartes Maximum verschoben und das Resultat durch externe Auswertung, etwa mittels eines Mikroprozessors, überprüft werden. Through specific charge injections into the integrator 39 of the operating point can then each shifted to an adjacent peak and the result will be checked by external evaluation, for example by means of a microprocessor. Auf diese Weise ist es möglich, den Nullpunkt wieder zu erreichen. In this way it is possible to reach the zero point again.

Die Regelelektronik kann wie beschrieben ein eigenes Bauteil bilden, sie kann aber auch - was in vielen Fällen die günstigere Möglichkeit sein dürfte - im Membranblock 19 integriert sein. The control electronics may form a separate component as described, but it can also - the cheaper option which in many cases is likely to be - be integrated into the membrane block 19th

Bei Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Durchflussmessung über den Differenzdruck ergibt sich aus den weiter oben erwähnten Zusammenhängen zwischen dem Durchfluss Q und der Druckdifferenz Ap am Fabry-Perot-Sensor 1 einerseits und der auf die Membran 21 des Fabry-Perot-Sensors 3 wirkenden Kraft F und der angelegten Regelspannung V andererseits, dass, falls Fabry-Perot-Sensor 1 und Fabry-Perot-Detektor 3 auf gleiche Kräfte mit proportionalen Auslenkungen reagieren, was mindestens bei kleinen Auslenkungen der Fall ist und darüber hinaus etwa durch gleiche geometrische Ausbildung der Membranen sichergestellt werden kann, der Durchfluss Q und die Regelspannung V proportional sind. When using the inventive method for measuring the flow via the differential pressure is apparent from the above-mentioned relationships between the flow rate Q and the pressure difference Ap in the Fabry-Perot sensor 1 on the one hand and the force acting on the diaphragm 21 of the Fabry-Perot sensor 3 force F and the applied control voltage V on the other hand that, if the Fabry-Perot sensor 1 and Fabry-Perot detector 3 respond to the same forces with proportional deflections, which is the case at least with small deflections and moreover ensured for example by the same geometrical configuration of the membranes the flow rate Q and the control voltage V may be, are proportional.

Claims (14)

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung einer die optische Länge eines Fabry-Perot-Sensors (1) in eindeutiger Weise beeinflussenden Messgrösse, bei welchem ein Lichtstrahl endlicher Kohärenzlänge durch den Fabry-Perot-Sensor (1) modifiziert und auf einen Fabry-Perot-Detektor (3) geleitet wird mit einem lichtempfindlichen Element, das eine von der Intensität des im Fabry-Perot-Detektor (3) nochmals modifizierten Lichtstrahls abhängige elektrische Ausgangsgrösse erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Länge des Fabry-Perot-Detektors (3) mittels einer elektrischen Regelgrösse, von welcher dieselbe eineindeutig abhängt, derart in Abhängigkeit von der Ausgangsgrösse geregelt wird, dass ein ausgezeichneter Punkt des die Abhängigkeit der Ausgangsgrösse von der Differenz der optischen Länge des Fabry-Perot-Sensors (1) und der optischen Länge des Fabry-Perot-Detektors (3) definierenden Graphen als Arbeitspunkt festgehalten und die Messgrösse aus der Regelgrösse bestimmt wird. modified 1. A method for determining the optical length of a Fabry-Perot sensor (1) influencing uniquely measured variable, in which a light beam of finite coherence length by the Fabry-Perot sensor (1) and to a Fabry-Perot detector ( is passed 3) with a light-sensitive element which generates a of the dependent in the Fabry-Perot-detector (3) again modified light beam electrical output of the intensity, characterized in that the optical length of the Fabry-Perot-detector (3) by means of a electrical control variable, the same of which depends uniquely, is so regulated in dependence on the output signal, that an excellent point of the dependence of the output from the difference in the optical length of the Fabry-Perot sensor (1) and the optical length of the Fabry-Perot -Detektors held (3) defining graph as a working point and the measured quantity is determined from the controlled variable.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt durch einen Extre-malwert der Ausgangsgrösse gekennzeichnet ist. That the operating malwert Extre-through one of the output variable is marked 2. The method according to claim 1, characterized.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt dem Nullpunkt der Differenz der optischen Länge des Fabry-Perot-Sensors (1) und der optischen Länge des Fabry-Perot-Detektors (3) entspricht. 3. The method of claim 1 or 2, characterized in that the operating point of (3) corresponds to the zero point of the difference in the optical length of the Fabry-Perot sensor (1) and the optical length of the Fabry-Perot detector.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelgrösse eine um den Nullpunkt symmetrische periodische Tastfunktion überlagert und durch Integration des Produkts derselben mit der Ausgangsgrösse ein Korrektursignal erzeugt wird, welches, falls es von Null abweicht, eine Änderung der Regelgrösse bewirkt. 4. The method according to claim 2, characterized in that the control variable is superimposed a symmetrical around zero periodic key function and the same is generated with the output of a correction signal by integrating the product, which, if it deviates from zero, causes a change in the controlled variable.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgrösse eine Spannung ist, welche ein elektrisches Feld, das auf den Fabry-Perot-Detektor (3) eine seine optische Länge beeinflussende Kraft ausübt, erzeugt. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the controlled variable is a voltage which generates an electric field, which exerts on the Fabry-Perot-detector (3) has a length affecting its optical power.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrösse eine Druckdifferenz ist. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the measurement variable is a pressure difference.
7. Fabry-Perot-Detektor (3) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Fabry-Perot-Interferometer, dessen Kavität zwischen einer transparenten Trägerplatte (18), welche einen ersten Spiegel (24) und einer Membran (21), welche einen zum ersten Spiegel (24) parallelen zweiten Spiegel bildet oder trägt, liegt sowie mit einem lichtempfindlichen Element, dadurch gekennzeich- 7. Fabry-Perot detector (3) for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, with a Fabry-Perot interferometer whose cavity between a transparent support plate (18) having a first mirror (24) and a membrane (21), which forms a parallel to the first mirror (24), second mirror or carries, is as well as a photosensitive element, characterized gekennzeich-
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net, dass er eine erste Steuerelektrode aufweist, welche mit einer mit der Membran (21) mechanisch verbundenen zweiten Steuerelektrode eine Steuerkapazität zur Beeinflussung der Auslenkung der Membran (21) bildet. net that it comprises a first control electrode having a control capacitance forms with a second control electrode with the membrane mechanically connected (21) to influence the deflection of the diaphragm (21).
8. Fabry-Perot-Detektor (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (21) Teil eines Membranblocks (19) ist und an ihrer der Fabry-Perot-Kavität abgewandten Seite eine Vertiefung an der Rückseite des Membranblocks begrenzt. 8. Fabry-Perot detector (3) as claimed in claim 7, that the membrane (21) is part of a diaphragm blocks (19) and on its side remote of the Fabry-Perot cavity defines a depression on the back side of the diaphragm block.
9. Fabry-Perot-Detektor (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (21) auf ihrer Rückseite einen Zentralkörper (23) trägt, welcher die zweite Steuerelektrode bildet, während die erste Steuerelektrode (30) auf einem die Vertiefung abschliessenden Träger (29) angebracht ist. 9. Fabry-Perot detector (3) according to claim 8, characterized in that the diaphragm bears (21) on its rear side a central body (23) which forms the second control electrode, while the first control electrode (30) on a deepening final carrier (29) is mounted.
10. Fabry-Perot-Detektor (3) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerelektrode an der Trägerplatte (18) angebracht ist, während die zweite Steuerelektrode in der Grenzschicht der Membran (21) zur Fabry-Perot-Kavität angeordnet ist. 10. Fabry-Perot detector (3) according to claim 7 or 8, characterized in that the first control electrode is attached to the support plate (18), while the second control electrode in the boundary layer of the membrane (21) for the Fabry-Perot cavity is arranged.
11. Fabry-Perot-Detektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerelektrode als Metallschicht ausgebildet ist und zugleich den ersten Spiegel (24) bildet. 11. Fabry-Perot-detector according to claim 10, characterized in that the first control electrode is formed as a metal layer, and at the same time forms the first mirror (24).
12. Fabry-Perot-Detektor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranblock (19) aus Silicium besteht. 12. Fabry-Perot detector according to one of claims 8 to 11, characterized in that the reed valve (19) consists of silicon.
13. Fabry-Perot-Detektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Element als in die Membran (21) integrierte Photodiode ausgebildet ist. 13. Fabry-Perot-detector according to claim 12, characterized in that the photosensitive element (21) integrated photodiode is formed than in the membrane.
14. Fabry-Perot-Detektor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranblock (19) an seiner der Trägerplatte (18) zugekehrten Seite mit einer Siliciumdioxidschicht bedeckt ist. 14. Fabry-Perot-detector according to claim 12 or 13, characterized in that the reed valve (19) is covered on its side facing the carrier plate (18) side with a silicon dioxide layer.
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