CN108351244B - 用于测量至少一个被测变量的mems传感器 - Google Patents
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Abstract
描述用于测量流动流体的至少一个被测变量尤其是密度、流量和/或粘度的MEMS传感器,包括:至少一个微流体通道(1、21),其具有可激励以执行振荡的至少一个通道部分(7、7a、27);以及激励器系统(E),用于激励期望振荡模式,所述通道部分(7、7a、27)在预定振荡平面(x‑y)中执行振荡。MEMS传感器具有通过以下特征实现的改进振荡特征:通道部分(7、7a、27)由各向异性材料组成,各向异性材料具有方向相关弹性并且被空间上取向以使得为通道部分(7、7a、27)的刚度相对于通道部分(7、7a、27)垂直于振荡平面(x‑y)的偏转的确定的弹性模量大于为通道部分(7、7a、27)的刚度相对于通道部分(7、7a、27)在振荡平面(x‑y)中的偏转确定的弹性模量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量流体的至少一个被测变量,尤其是密度、流量和/或粘度的MEMS传感器,包括:至少一个微流体通道,其具有可激励以执行振荡的至少一个通道部分;以及激励器系统,用于激励期望振荡模式,在这种情况下,所述通道部分在预定振荡平面中执行振荡。
背景技术
MEMS传感器是微机电系统,所述微机电系统应用于测量技术中以计量记录一个或多个被测变量。MEMS传感器通常使用一层或多层晶片,尤其是基于硅的晶片通过应用半导体技术中常用的方法来生产,例如,蚀刻工艺、氧化方法、注入方法、键合方法和/或涂覆方法。
例如,在DE 10 2008 039 045 A1、US 2010/0037706 A1和US 2002/0194908 A1中描述用于测量流体的至少一个被测变量——尤其是密度、流量和/或粘度——的MEMS传感器,包括:微流体通道,其具有可激励以执行振荡的通道部分;以及激励器系统,用于激励期望振荡模式,在这种情况下,通道部分在预定振荡平面中执行振荡。
上述种类的MEMS传感器可以应用于执行各种测量原理。
示例是科里奥利质量流量测量,其原理是在流体流过且被激励成执行振荡的通道部分中,产生影响振荡形式的科里奥利力。可以例如通过布置在通道部分的入口侧上和出口侧上的振荡传感器记录通道部分的结果振荡形式。在此情况下,通过两个振荡传感器记录的振荡运动具有对应于结果振荡形式的相同频率。然而,所述振荡运动通过取决于质量流量的相移相对于彼此移相。
另一示例是科里奥利密度测量。同样在此情况下,应用在测量操作中流体流过的至少一个通道,所述通道包括借助于激励器系统可激励以执行振荡的至少一个通道部分。在此测量原理的情况下,通道部分被激励成以共振频率执行振荡。共振频率取决于流动流体的密度,并且因此可以被考虑用于确定密度。
在具有在测量操作中可激励以执行振荡的至少一个通道部分的MEMS传感器的情况下,存在以下问题:可激励以执行振荡的通道部分可以具有不同振荡模式。在此情况下,存在以下危险:在测量操作中激励的期望振荡模式可以叠加在其它振荡模式(下文称为干扰模式)上。这些干扰模式可以例如通过干扰源,例如,使用位置处的振动来激励,并且可以使这些传感器的测量准确度劣化。尤其是重要的是对应于通道部分的本征振荡模式的干扰模式,因为这些干扰模式可以用相对少的能量输入得以激励。
此问题也在具有可激励以执行振荡的测量管的常规科里奥利质量流量测量装置的情况下出现。
结合具有可激励以执行振荡的测量管的常规科里奥利质量流量测量装置,US 5,731,527 A1描述通过应用取决于条带的位置和纤维的取向(orientation)引起测量管的硬化的纤维增强复合材料的细长条带来抑制干扰模式,所述细长条带在平行于测量管的纵轴的测量管的相反外侧上延伸。
然而,此解决方案不能直接传递给MEMS传感器。为此,必须找到纤维增强复合材料,所述纤维增强复合材料可以在外部应用在MEMS传感器的微流体通道上。此外,为了产生纤维增强复合材料和通道的连接,即,可以耐久地承受由通道的振荡引起的机械负载的连接,将需要应用这些材料的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种MEMS传感器,所述MEMS传感器可以用于测量流动流体的至少一个被测变量并且克服上述技术状态的缺点。
为此,本发明在于用于测量流体的至少一个被测变量——尤其是密度、流量和/或粘度——的MEMS传感器,包括:
-至少一个微流体通道;
--其具有可激励以执行振荡的至少一个通道部分,以及
-激励器系统,用于激励期望振荡模式,在这种情况下,通道部分在预定振荡平面中执行振荡,
其特征在于,通道部分由各向异性材料组成,所述各向异性材料具有方向相关弹性并且在空间上取向以使得为所述通道部分的刚度相对于通道部分垂直于振荡平面的偏转确定的弹性模量大于为所述通道部分的刚度相对于通道部分在振荡平面中的偏转确定的弹性模量。
第一进一步发展提供
-通道部分由硅或基于硅的材料组成,基于硅的材料尤其是呈掺杂硅形式的材料,以及
-材料的晶体结构被取向以使得
--晶体结构的(110)方向平行于通道部分的纵轴延伸,以及
--晶体结构的(001)方向平行于与振荡平面正交的表面延伸。
优选实施例提供:通道部分具有垂直于振荡平面以及垂直于其纵轴的高度,所述高度大于其垂直于高度以及垂直于其纵轴的宽度。
第一变形提供
-提供布置在两个相互间隔开的支撑件上的两个相互平行的通道,
--所述通道中的每一者包括在两个支撑件之间悬置的通道部分,
--两个通道部分相互平行地延伸,以及
-激励器系统被实施成使得所述激励器系统在测量操作中分别激励两个通道部分,以在预定振荡平面中执行振荡,尤其是反相振荡。
第二变形提供
-通道布置在两个相互间隔开的支撑件上并且是u形通道,
--所述通道包括两个相互平行以及相互间隔开的通道区段,以及把这两个平行的通道区段连接在一起的通道区段,以及
--两个平行的通道区段的通道部分分别通过两个支撑件之间悬置的两个平行的通道区段之一的通道部分形成,以及
-激励器系统被实施成使得所述激励器系统在测量操作中分别激励两个通道部分,以在预定振荡平面中执行振荡,尤其是反相振荡。
另一实施例提供
-通道具有入口,在测量操作中流体经由该入口进入通道,以及
-通道具有出口,在测量操作中,流体流过通道之后经由所述出口离开通道。
另一实施例提供
-激励器系统被实施成使得所述激励器系统在测量操作中激励期望振荡模式,以及
-提供测量系统,所述测量系统被实施成使得其在测量操作中计量地记录依赖于在测量操作中流过通道的流体的特性的通道部分的结果振荡形式的至少一个特性,并且由此确定相关联的被测变量,流体的特性尤其是质量流量、密度或粘度。
另外,本发明在于用于制造本发明的MEMS传感器的方法,其特征在于,
-从各向异性材料的第一晶片产生截面u形轮廓,所述轮廓分别形成通道的四个通道壁中的三个,并且在平面图中具有待制造的通道的路线,以及
-第二晶片与第一晶片连接,以使得第二晶片向外密封u形轮廓的内部,以及
-去除第二晶片,除了其形成第四通道壁的区域,
-其中,第一和第二晶片分别包含对应于通道部分中的材料取向的空间取向的各向异性材料。
此方法的进一步发展的特征在于
-晶片由硅或基于硅的材料组成,基于硅的材料尤其是呈掺杂硅形式的材料,
-第一和第二晶片上的表面法线分别平行于材料的晶体结构的(100)方向延伸,以及
-在制造通道的情况下,晶片被取向成使得通道部分的纵轴平行于晶体结构的(110)方向延伸。
本发明的MEMS传感器具有以下优点:经由材料的取向,实现了增加相对于垂直于振荡平面x-y的偏转的通道部分的刚度的干扰模式抑制,和/或降低相对于平行于振荡平面的偏转的通道部分的刚度的测量灵敏度增加。
附图说明
现将基于示出实施例的三个示例的附图更详细地说明本发明以及其它优点;在图中为相同部分提供相同的参考标记。附图如下示出:
图1为具有一个通道的MEMS传感器的平面图;
图2为图1的MEMS传感器的截面图;
图3为图1的通道部分的截面;
图4为图1的通道部分的替代截面;
图5为具有两个通道的MEMS传感器的平面图;
图6为具有u形通道的MEMS传感器的平面图;
图7为图6的MEMS传感器的截面图;
图8为(001)硅晶片的截面图,在这种情况下,相对于晶片的晶体结构的取向(orientation)示意性地示出图1和5或6的通道部分的取向;以及
图9为图8的晶片的平面图。
具体实施方式
图1示出用于测量流动流体尤其是液体或气体的至少一个被测变量的本发明的MEMS传感器的实施例的第一示例的平面图。图2示出图1的MEMS传感器的截面图。MEMS传感器包括布置在两个支撑件5上的微流体通道1,所述支撑件布置在基座3上。通道1包括悬置在两个支撑件5之间的通道部分7,所述通道部分借助于激励器系统E(此处仅示意性地说明)可激励以执行振荡。图3示出图1的通道部分7的截面。
例如,静电、压电或磁性激励器系统E可以应用于振荡激励。对应的激励器系统是本领域技术人员已知的,并且因此此处不再详细描述。激励器系统E被实施成使得所述激励器系统激励期望振荡模式,在这种情况下,通道部分7在此处通过空间方向x和y指示的预定振荡平面x-y中激励振荡。
期望振荡模式优选地对应于通道部分7的本征振荡模式。在此情况下,在实施例的所示例子中的激励器系统E优选地被实施成使得所述激励器系统实现通道部分7至其纵轴两侧的偏转,该纵轴在此平行于空间方向x延伸,其中最大偏转振幅优选地出现在通道部分7的半长度的区域中,并且从通道部分7的该半长度朝着通道部分7的两个固定端的方向逐渐减小。这种期望振荡模式在图1中利用垂直于通道1的纵轴延伸的双箭头显示。在此情况下,通道部分7优选地包括平行于振荡平面x-y延伸的两个相互对置的通道壁9,以及垂直于振荡平面x-y延伸的两个相互对置的通道壁11。在通道壁9、11的这种取向的情况下,由于其形式,除了此处应用为期望振荡模式的本征振荡模式之外,通道部分7具有另一本征振荡模式,在这种情况下,通道部分7以垂直于振荡平面x-y(此处,通过空间方向x和z限定的振荡平面x-z)延伸的期望振荡模式执行基本上相同地形成的振荡。
图3中所示的通道部分7,在截面上包括例如截面正方形的基本形式,在这种情况下,它的垂直于通道部分7的纵轴以及垂直于振荡平面x-y延伸的高度H,等于它的垂直于高度H以及通道部分7的纵轴延伸的宽度B。
通道1优选地具有至少一个,优选地多个100μm的宽度B,以及至少一个,优选地多个100μm的高度H。例如,通道壁9、11具有约10μm到100μm的数量级的壁厚度。优选地,壁厚度处于20μm到60μm的范围中。
在此处说明的实施例的示例的情况下,通道1的相对的安置端固定到两个支撑件5。或者,当然还可以提供通道1和/或通道部分7的其它形式的布置和/或固定,其实施成使得可以激励期望振荡模式,在这种情况下,通道部分7在预定振荡平面中执行振荡。
通道1包括入口13,流体可以经由所述入口进入通道1中;以及出口15,流体可以经由所述出口流出通道1。在实施例的所说明示例中,入口13经由穿过基底3和两个支撑件5中的一者的供应管线17被馈入。经由穿过基底3和另一支撑件5的排放管线19从通道1的流体排放出口侧排出。在此情况下,流体在通过图1和2中的箭头指示的流动方向上流过通道1。
如果流体流过的通道部分7在测量操作中借助于激励器系统E激励以执行期望振荡模式的振荡,则在流体流过且在被激励成执行振荡的通道部分7中产生实现通道部分7的结果振荡形式的科里奥利力。
MEMS传感器包括测量系统,所述测量系统被实施成使得所述测量系统在测量操作中计量地记录依赖于待测量被测变量的通道部分7的结果振荡形式的至少一个特性,并且由此确定特定被测变量。对于测量流动流体的一个或多个被测变量,可以应用从现有技术已知的用于执行对应测量方法,例如上文所提及的科里奥利质量流量测量和/或科里奥利密度测量的不同测量系统。此处仅示为一个可能示例的测量系统包括两个振荡传感器S1、S2,其中一个振荡传感器布置在通道部分7的入口侧,一个振荡传感器布置在通道部分7的出口侧。在此实施例的情况下,由两个振荡传感器S1、S2记录的振荡具有对应于结果振荡形式的一致频率,并且通过依赖于质量流量的相移相对于彼此移相。可用于此的振荡传感器,例如电容、压电或磁性振荡传感器从现有技术中已知,并且因此此处不再详细描述。
MEMS传感器可以应用于,例如质量流量测量,因为借助于连接到振荡传感器S1、S2的测量电路(未示出)确定取决于质量流量的相移,并且根据此确定导出质量流量。替代地或补充地,MEMS传感器可以应用于科里奥利密度测量。在此情况下,通道部分7借助于激励器系统E的激励以在共振频率下执行振荡,取决于密度的共振频率借助于连接到振荡传感器S1、S2的测量电路(未示出)加以确定,并且根据此确定来确定流体的密度。
如果已知沿着通道1的压降,则MEMS传感器可以替代地或补充地应用于测量流体的粘度。压降对应于作用于通道1中的入口侧压力与出口侧压力之间的差。可以例如借助于连接在通道1前面的压力传感器(未示出)以及连接在通道1后面的压力传感器(未示出)计量地记录压降。例如,在US 2002/0194908 A1中描述对应的压力传感器。根据哈根-泊肃叶定律,压降取决于通过通道1的质量流量和流过通道1的流体的运动粘度的乘积。因此,在已知压降的情况下,可以基于利用MEMS传感器测量到的质量流量确定流体的运动粘度。
或者,然而,还可以基于取决于粘度的振荡阻尼确定粘度。例如,在EP 01158289B1中描述适用于此的测量方法。
根据本发明,通道部分7由具有方向相关弹性的各向异性材料组成。各向异性材料被空间上取向(spatially oriented),以使得为通道部分7的刚度相对于通道部分7垂直于振荡平面x-y的偏转确定的弹性模量大于为通道部分7的刚度相对于通道部分7在振荡平面x-y中的偏转确定的弹性模量。在此情况下,选择材料的取向,以增加相对于垂直于振荡平面x-y的偏转的通道部分7的刚度和/或降低相对于平行于振荡平面x-y的偏转的刚度。
通道部分7的材料的本发明的取向提供以下优点:所述取向实现通道部分7的本征振荡的本征频率之间的频率分离,所述本征振荡用作期望振荡模式以及在垂直于期望振荡模式的振荡平面x-y的振荡平面x-z中延伸的额外本征振荡模式。虽然这两个本征频率在各向同性材料的截面正方形通道部分的情况下将相同,但是在具有各向异性材料的本发明的取向的相同形状通道部分7的情况下,存在频率分离,其中期望振荡模式的本征频率小于垂直于其延伸的以其它方式相同形成的额外本征振荡模式的本征频率。
对于振荡平面x-y中偏转的通道部分7的较低刚度提供以下优点:期望振荡模式的本征频率由此减小,并且MEMS传感器具有更高测量灵敏度。
后者尤其是如此,因为在相对于振荡平面x-y中偏转的通道部分7的较低刚度的情况下,在测量操作中产生的科里奥利力对结果振荡形式的影响增加。
这些优点越大,则相对于通过材料的取向获得的振荡平面x-y中偏转实现的通道部分7的刚度减小越大。
通过与经由相对于期望振荡模式的振荡平面x-y中的振荡降低通道部分7的刚度相同的方式,当然还可以经由相对于垂直于期望振荡模式的振荡平面x-y的振荡增加通道部分7的刚度来实现两个本征频率之间的频率分离。关于通过垂直于期望振荡模式的振荡平面x-y的振荡部分抑制干扰模式,此频率分离是有利的。频率分离越大,则将激励干扰模式的危险越低。此外,可以在导出测量信号中更容易地检测和滤出由于不同本征频率产生的干扰模式的影响。
适合作为具有方向相关弹性的各向异性材料尤其是具有取决于其晶体结构的方向相关弹性的晶体材料,例如,硅或基于硅的材料,例如掺杂硅。例如,可以通过测量在每种情况下与晶体结构的取向有关的不同空间方向上的材料的弹性模量来定量地记录弹性的方向相关性。在此情况下,晶体结构的取向优选地通过对应的密勒指数提供。
如果通道部分7具有硅或基于硅的材料,则其晶体结构优选地具有取向,在这种情况下,晶体结构的方向[110]平行于通道部分7的纵轴延伸,并且晶体结构的方向[001]垂直于振荡平面x-y延伸。在材料的这种取向的情况下,在晶体结构的方向[110]上实现的硅的弹性模量对于相对于垂直于振荡平面x-y的偏转的通道部分7的刚度是决定性的。此弹性模量处于约169GPa的数量级。相反,通过在晶体结构的方向[100]上显著较低的弹性模量(处于约130GPa的数量级)决定性地确定相对于平行于振荡平面x-y的偏转的通道部分7的刚度。
除了通过通道部分7的材料的本发明的取向实现的改进之外,通道部分7的振荡特征可以经由通道部分7的形成进一步改进。在尤其是优选的形成中,通道部分7a以这样的方式实施,使得其垂直于振荡平面x-y延伸的高度H大于其平行于振荡平面x-y以及垂直于其纵轴延伸的宽度B。图4示出此通道部分7a的截面。在此情况下,通道部分7a可以具有,例如约150μm的数量级的宽度B以及约300μm的数量级的高度H。通过此形成,实现针对垂直于期望振荡模式的振荡平面x-y的偏转的通道部分7a的刚度与针对在振荡平面x-y中的偏转的通道部分7a的刚度的比率的额外增加,以及与其相关联的两个本征频率之间的频率分离的增加。
在具有至少一个微流体通道的其它MEMS传感器的情况下,涉及具有可激励以执行振荡的单个通道部分7、7a的单个通道1的本发明的上述示例也完全类似地可适用,所述至少一个微流体通道具有至少一个通道部分,所述至少一个通道部分借助于用于激励期望振荡模式的激励器系统可激励,以在预定振荡平面中执行振荡。示例包括具有两个或更多个通道,尤其是连接用于并联或串联流动的通道的MEMS传感器,所述通道中的至少一个具有结合通道部分7、7a以上述方式形成的至少一个通道部分。本发明不限于具有一个或多个直通道的MEMS传感器,而是也可以类似地结合不直的通道应用。此通道的示例是u形、v形或Ω形通道。
图5示出与基于图1到4描述的实施例的示例不同的实施例的示例,不同之处仅在于,提供两个相互平行的通道1,流体平行地流过所述通道并且所述通道中的每一者具有可激励以在预定振荡平面x-y中执行振荡的通道部分7、7a。通道1以及其通道部分7、7a与图1中所说明的相同,因此,只要参考上述说明即可。期望振荡模式对应于基于实施例的前述示例描述的期望振荡模式,其中两个通道部分7、7a的激励优选地利用反相而发生。
图6示出本发明的具有u形通道21的MEMS传感器的实施例的示例的平面图。图7示出图6的MEMS传感器的截面图。u形通道21包括两个相互平行、相互间隔开的通道区段23,以及将两个平行通道区段23连接在一起的通道区段25。通道21布置在两个支撑件5上,所述支撑件布置在基底3上。第一支撑件5承载包括入口13和出口15的两个平行通道区段23的未连接端。第二支撑件5在平行通道区段23的纵向方向上与第一支撑件5间隔开,并且承载两个平行通道区段23的区域,所述两个平行通道区段面对着将两个平行通道区段23连接在一起的通道区段25。在实施例的所说明示例中,经由穿过基底3和第一支撑件5的供应管线17供应入口13,并且经由穿过基底3和第一支撑件5的排放管线19清除在出口侧上从通道21离开的流体。在此情况下,流体在通过图6和7中的箭头指示的流动方向上流过通道1。
两个平行通道区段23中的每一个包括通道部分27,所述通道部分在两个支撑件5之间悬置,并且可以使其借助于此处仅示意性地说明的激励器系统E在通过图6中的坐标x和y指示的振荡平面x-y中振荡。振荡平面x-y对应于通过两个平行通道区段23限定的平面。激励器系统E优选地被实施,以使得所述激励器系统导致两个通道部分27在通过双箭头指示的图6中的振荡平面x-y中优选地以反相振荡,在这种情况下,通道部分27垂直于其纵轴偏转。
在实施例的此示例的情况下,包括可激励以执行振荡的其通道部分27的通道区段23优选地均通过上文基于图1到4针对通道1和其通道部分7、7a描述的方式实施,因此对于此类细节参考以上说明。
本发明的MEMS传感器的制造优选地以这样的方式进行,使得从各向异性材料的第一晶片产生截面u形轮廓,所述轮廓在平面图中具有对应于待制造的通道1、21的所需通道形式的路线,例如,图1和5中所说明的通道1的直路线或图6中所说明的通道21的u形路线。优选地各向异性蚀刻方法,例如,深反应离子蚀刻(DRIE)方法应用于制造u形轮廓。
如从图3和4中明白的,每个u形轮廓形成其通道1、21的四个通道壁9、11中的三个。为了制造u形轮廓不提供的通道1、21的第四通道壁9,第二晶片以这样的方式与第一晶片连接,使得第二晶片从外部密封u形轮廓的内部。此连接可以例如通过键合方法,例如通过硅直接键合产生。随后,除了其形成第四通道壁9的区域之外,移除第二晶片。而且在此情况下,优选地应用各向异性蚀刻方法,例如,深反应离子蚀刻(DRIE)方法。
视情况而定,两个晶片包含在与通道部分7、7a中或通道部分27中的材料的取向相对应的空间取向的材料。
为了制造图1、5和6中所说明的MEMS传感器的通道1、21,例如可以使用包含空间取向的硅的两个硅晶片,在这种情况下,正交于晶片的表面平行于晶体结构的方向(001)延伸。视情况而定,为了制造通道1或21,这些晶片被取向成使得通道部分7、7a的纵轴或两个通道部分27的纵轴视情况而定平行于硅晶片的方向(110)延伸。为此,图8示出(001)硅晶片的截面图,并且图9是此晶片的平面图,其中在每种情况下,相对于晶体结构的取向示意性地示出通道部分7、7a或27在用于图1和5或6中的坐标系中的取向。
所描述的制造过程优选地通过晶片键合执行,其中从适当指向的两个晶片同时产生多个通道1、21。
参考符号列表
1 通道
3 基底
5 支撑件
7 通道部分
9 平行于振荡平面的通道壁
11 垂直于振荡平面的通道壁
13 入口
15 出口
17 供应管线
19 排放管线
21 通道
23 通道区段
25 通道区段
27 通道部分
Claims (7)
1.用于测量流体的至少一个被测变量的MEMS传感器,所述被测变量是密度、流量和/或粘度,该MEMS传感器包括:
至少一个微流体通道,其具有可激励以执行振荡的至少一个通道部分,以及
激励器系统,其用于激励期望振荡模式,其中在期望振荡模式的情况下,所述通道部分在预定的振荡平面中执行振荡,
所述MEMS传感器的特征在于,
所述通道部分由各向异性材料组成,所述各向异性材料具有方向相关的弹性,并且所述各向异性材料在空间上被取向以使得为所述通道部分的刚度相对于该通道部分垂直于所述振荡平面的偏转确定的弹性模量大于为所述通道部分的刚度相对于该通道部分在所述振荡平面中的偏转确定的弹性模量,
其中,
经由材料的取向,通过增加相对于垂直于振荡平面的偏转的通道部分的刚度,抑制干扰模式,和/或,通过降低相对于平行于振荡平面的偏转的通道部分的刚度,增加测量灵敏度。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器,其特征在于
所述通道部分由硅或掺杂硅形式的材料组成,以及
所述材料的晶体结构被取向以使得所述晶体结构的方向[110]平行于所述通道部分的纵轴延伸,以及所述晶体结构的方向[001]平行于与所述振荡平面正交的表面延伸。
3.根据权利要求1所述的MEMS传感器,其特征在于
所述通道部分具有垂直于所述振荡平面以及垂直于其纵轴的高度,所述高度大于其垂直于所述高度以及垂直于其纵轴的宽度。
4.根据权利要求1所述的MEMS传感器,其特征在于
提供布置在两个相互间隔开的支撑件上的两个相互平行的通道,这两个通道中的每一个包括在所述两个支撑件之间悬置的通道部分,这两个通道部分相互平行地延伸,以及
所述激励器系统被实施成使得所述激励器系统在测量操作中分别激励所述两个通道部分,以在所述振荡平面中执行反相振荡。
5.根据权利要求1所述的MEMS传感器,其特征在于
所述通道布置在两个相互间隔开的支撑件上并且是u形通道,该通道包括两个相互平行并且相互间隔开的通道区段和把这两个平行的通道区段连接在一起的通道区段,并且所述两个平行的通道区段的通道部分分别利用所述两个支撑件之间悬置的所述两个平行的通道区段之一的通道部分形成,以及
所述激励器系统被实施成使得所述激励器系统在测量操作中分别激励这两个通道部分,以在所述振荡平面中执行反相振荡。
6.根据权利要求1所述的MEMS传感器,其特征在于
-所述通道具有入口,在测量操作中流体经由所述入口进入所述通道中,以及
-所述通道具有出口,在测量操作中,在流过所述通道后,流体经由所述出口离开所述通道。
7.根据权利要求1所述的MEMS传感器,其特征在于
所述激励器系统被实施成使得所述激励器系统在测量操作中激励所述期望振荡模式,以及
提供测量系统,所述测量系统被实施成使得所述测量系统在测量操作中计量地记录所述通道部分的结果振荡形式的至少一个特性,并且由此确定相关联的被测变量,所述至少一个特性依赖于在测量操作中流过所述通道的流体的特性,所述流体的特性是质量流量、密度或粘度。
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0547455A1 (de) * | 1991-12-19 | 1993-06-23 | Krohne AG | Massendurchflussmessgerät |
CN103293338A (zh) * | 2013-06-27 | 2013-09-11 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 电容式加速度传感器的传感部件、制作方法及其应用 |
Family Cites Families (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2746919B1 (fr) * | 1996-03-28 | 1998-04-24 | Commissariat Energie Atomique | Capteur a jauge de contrainte utilisant l'effet piezoresistif et son procede de fabrication |
US5731527A (en) | 1996-09-20 | 1998-03-24 | Micro Motion, Inc. | Coriolis flowmeters using fibers and anisotropic material to control selected vibrational flowmeter characteristics |
GB9819821D0 (en) * | 1998-09-12 | 1998-11-04 | Secr Defence | Improvements relating to micro-machining |
US6314820B1 (en) | 1999-02-10 | 2001-11-13 | Micro Motion, Inc. | Lateral mode stabilizer for Coriolis flowmeter |
EP1158289B1 (de) | 2000-04-27 | 2003-06-25 | Endress + Hauser Flowtec AG | Vibrations-Messgerät und Verfahren zum Messen einer Viskosität eines Fluids |
US6647778B2 (en) | 2001-06-20 | 2003-11-18 | Integrated Sensing Systems | Integrated microtube sensing device |
US7282329B2 (en) * | 2002-08-22 | 2007-10-16 | Massachusetts Institute Of Technology | Suspended microchannel detectors |
US7387889B2 (en) * | 2002-08-22 | 2008-06-17 | Massachusetts Institute Of Technology | Measurement of concentrations and binding energetics |
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US7568399B2 (en) * | 2006-01-05 | 2009-08-04 | Integrated Sensing Systems, Inc. | Microfluidic device |
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0547455A1 (de) * | 1991-12-19 | 1993-06-23 | Krohne AG | Massendurchflussmessgerät |
CN103293338A (zh) * | 2013-06-27 | 2013-09-11 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 电容式加速度传感器的传感部件、制作方法及其应用 |
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