CN102439409B - 传感器 - Google Patents

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Abstract

公开谐振传感器，其可设置成测量流体压力。该谐振传感器包括：可暴露于流体的膜片；在该膜片上提供的两个支架和具有至少两个梁的谐振器，其中每个梁悬置在这两个支架之间。每个梁的端在超过一个点处附连到对应的支架。通过在超过一个点处附连梁的每端到支架，该支架经受的力矩和反作用力可被平衡使得该支架和膜片由于谐振器梁的振动引起的扭曲减小。因此，该谐振传感器能够提高更精确的测量。

Description

传感器
技术领域
本发明涉及传感器，特别是可被设置来测量流体压力的谐振传感器。
背景技术
谐振传感器具有暴露于流体的膜片，其典型地由硅制造，该流体的压力是要测量的。硅典型地用于膜片，因为它具有完全可重复的弹性行为。暴露于膜片的流体的压力变化使膜片根据流体的压力弯曲或变形。谐振传感器例如在美国5 101 664、美国5 969 257和美国6 504864中描述。
图1和2图示包括谐振器2的谐振式压力传感器1，在该示例中其包括悬置在两个底座或台面4(其是要暴露于流体的膜片5的组成部分)之间的两个梁(beam)3。该谐振器2被激发以使其振动。该膜片5由流体施加的压力引起的挠曲使该谐振器拉伸，如由图3为了清楚采用放大的形式示出的，其改变该谐振器振动的频率。通过测量拉伸的谐振器的合成频率，可推断对膜片作用的流体压力。
图4是为了清楚再次采用放大形式以虚线示出梁3的振动的谐振器的顶视图。梁3可由合适的致动器6典型地经由AC驱动信号来驱动，在图4中示意地示出。谐振器2典型地具有两个梁3来使系统对称。然而，如在图4中示出的，台面4的顶部经受由于梁3的移动引起的力矩7，其将台面4置于压力下，由于净反作用力导致它们被推到一起(如在图5中由虚线示出的)。台面4朝对方的移动使膜片5弯曲并且使能量进入要测量的流体，这降低测量的精确度。此外，由力矩7引起膜片5的扭曲(台面4经受力矩7)还使梁3扭曲，这使梁位置的测量降级，进一步降低测量精确度。该测量精确度的降低对于低压力传感器要特别关注，因为由力矩7引起膜片5的扭曲导致能量从谐振器到正测量的流体的显著转移，这导致低的谐振器品质因数，其导致传感器准确性降低。
发明内容
本发明的实施例的目的是缓解上文论述的问题中的至少一些。
根据本发明，提供有谐振传感器，其包括：可暴露于流体的膜片；在该膜片上提供的两个支架和具有至少两个梁的谐振器，每个梁悬置在这两个支架之间，其中每个梁的每端在超过一个点处附连到支架。
通过将梁的每端在超过一个点(例如两个点)处附连到支架，支架经受的力矩和反作用力可被平衡使得支架和膜片由于谐振器梁的振动引起的扭曲减小。因此，谐振传感器能够提供更精确的测量。
每个梁可通过安装部分在超过一个点的每个处附连到支架并且与每个梁端关联的多个安装部分优选地具有不同的弹性水平。可调整每个安装构件的弹性来提高平衡每个台面经受的反作用力，特别地来解决更接近支架的侧面边缘比更接近支架的侧面中间所遇到的更大的力。
与每个梁的端关联的两个或以上的安装部分可例如是不对称的并且可具有例如不同的厚度、长度、配置和附连数量中的一个或多个并且可由不同类型的材料制成。
附图说明
现在将仅通过示例参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1至5图示谐振传感器遇到的问题；
图6图示根据本发明的谐振传感器的实施例的顶视图；
图7、8、9和10图示将每个梁的端附连到支架的备选方法；以及
图11示意地图示包括本发明的实施例的传感器外壳。
具体实施方式
图6图示本发明的谐振传感器10的第一实施例。提供暴露于流体的膜片11(由虚线示出)，一般来确定该流体的压力。该膜片11优选地包括硅。该膜片11提供有两个支架或台面12。这些台面12优选地在该膜片11上一体式形成。谐振器13悬置在这两个台面12之间。在该示例中，该谐振器13压缩两个梁14，其中每个梁的端部分在超过一点处附连到台面12，在该示例中是在两个点15处。如可以从图6(其图示由梁14的移动产生的力矩)的左手边上的弧形箭头16看到的，每个台面12经受的总反作用力17被平衡。因此，台面12的顶部没有扭曲，或至少比由如果每个梁的端仅在单个点处安装到台面12引起的扭曲程度要远小得多。因此，台面12承受由于梁14在使用中的振动引起的远更小的力矩，这导致膜片11由于谐振器的梁的移动引起远小得多的扭曲程度。因此，可做出远更精确的测量，其对于低压力传感器(其中膜片11可能是最柔韧的并且因此最明显地受到不平衡的反作用力影响)是特别重要的。
在图6中示出的实施例中，每个梁14的端部分具有两个安装部分20。每个安装部分20具有附连到梁14的第一部分21(其垂直于梁的长度延伸)和第二部分22(其具有与在该第一部分21和台面12之间提供的梁14的长度相同的方向上的长度)。
在图6中描述的示例中，梁14和台面12之间的安装部分20大致上对称。然而，已经发现更接近台面12的侧面边缘的安装部分20比更接近台面12的侧面中间的那些经受更大的力和力矩。因此，在梁14的每端处关联的安装部分20优选地具有不同的弹性水平来平衡在离每个台面12的边缘中间的不同距离处遇到的不同的力矩。在梁14的每端处关联的安装部分20可以是不对称的以提供适当不同的弹性水平。
图7图示两个梁14安装到台面12，除了更接近台面12的外缘的第一垂直部分21a做得比更接近台面12的边缘中间的第二垂直部分21b更长来提高平衡反作用力外，其与图6的实施例相似。可视情况对于每个设置选择第一和第二垂直部分21a和21b的精确的长度比以提高平衡反作用力。
图8示出梁14的端部分安装到台面12的另一个实施例，不同的是，在该示例中，梁14每侧上的安装构件20具有不同的厚度来平衡由离台面12的侧面部分的中间不同的距离处的安装件引起的反作用力。在该示例中，更接近台面12的外缘的第一安装构件20a比更接近台面12的边缘中间的第二安装构件20b更厚来提高平衡反作用力。可视情况对于每个设置选择第一和第二安装构件20a和20b的精确的厚度比以提高平衡反作用力。
如将由本领域内技术人员意识到的，安装构件20的不对称长度和厚度的各种组合可在各种示例中使用来提高平衡反作用力，这些反作用力取决于这些安装构件20安装在离台面12的侧面部分中间的距离。
安装构件20不需要具有垂直第一部分21，如在图6、7和8中示出的。例如，如在图9中示出的，安装构件20可以提供作为直接在梁14的端和台面12的侧面之间的直部。在该示例中，直安装构件20的长度典型地与台面12的侧面成20℃至80℃之间的角度。对于每个梁端的安装构件20可与梁14的轴线成不同或相同的角度。如在先前的示例中，在梁14的端处关联的安装构件20的长度和厚度中的至少一个可互相不同以适应更接近台面12的侧面边缘比朝中间的那个更大的力矩。
如在图10中示出的，每个梁14的端可在三个或以上的点处安装到台面的侧面，在该示例中通过三个安装构件20。每个梁14的端可通过任何适当数量的两个或以上的点安装到台面12的侧面。可适当地选择每个安装构件20的角度、厚度和长度以便平衡反作用力。
图11示意地图示要与上文论述的谐振传感器中的任一个一起使用的压力传感器外壳30的示例。该外壳30被设置使得膜片11可暴露于要检测的流体。膜片具有如上文描述的那样安装在其上的台面12和谐振器13。该外壳30具有用于驱动梁14振动的电输入31，典型地使用例如静电梳状驱动器、磁力驱动器、压电驱动器或本领域内众所周知的类似物经由AC驱动信号来驱动。还提供电输出32，正检测的流体的压力可使用例如控制器(未示出)从该电输出32推断。流体的压力典型地由使膜片11弯曲的流体施加的压力推断，该膜片11使谐振器13拉伸，这改变该谐振器13振动的频率。通过测量合成频率，典型地通过适当的算法或查找表推断对膜片11作用的流体的压力。外侧暴露于压力，且内侧在真空中以形成绝对压力传感器。
可对上文描述的示例做出许多改动而不偏离本发明的范围。例如，如果每个梁14的端通过具有不同弹性水平的安装部件20安装到台面12的侧面，这些不同的安装部件20可通过不同的长度、不同的厚度、安装部件20的不同角度或不同的附连数量中的一个或多个制成例如不对称的。关联的安装部件20的弹性还可以通过用不同的材料制作它们而不同。
谐振器13可具有超过两个的梁14。然而在实践中，优选地将是采用反相位驱动的偶数的梁(例如二、四、六等)以提高平衡反作用力。
通过在超过一个点处将每个梁14的端安装到台面12，由振动梁14施加于台面12的反作用力可以被平衡，这减小台面的扭曲并且因此还减小膜片扭曲使得可获得更精确的压力测量。

Claims (8)

1. 一种谐振传感器，其包括：
可暴露于流体的膜片；
在所述膜片上提供的两个支架，以及
具有至少两个梁的谐振器，其中每个梁悬置在所述两个支架之间，其中每个梁的端在超过一个点处附连到支架；其中所述至少两个梁是彼此分离的。
2. 如权利要求1所述的谐振传感器，其中每个梁通过安装部分在超过一个点的每个处附连到支架并且与每个梁的端关联的多个安装部分具有不同的弹性水平。
3. 如权利要求2所述的谐振传感器，其中与梁的端关联的所述安装部分是不对称的。
4. 如权利要求2或3所述的谐振传感器，其中与梁的端关联的所述安装部分是不同的长度。
5. 如权利要求2或3所述的谐振传感器，其中与梁的端关联的所述安装部分具有不同的厚度。
6. 如权利要求2或3所述的谐振传感器，其中与梁的端关联的所述安装部分具有设置成与所述台面的邻近侧成20°至80°之间的角度的直部。
7. 如权利要求2或3所述的谐振传感器，其中与梁的端关联的所述安装部分具有不同数量的附连点。
8. 如权利要求2或3所述的谐振传感器，其中与梁的端关联的所述安装部分由不同类型的材料制成。
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