CN108713131B - 科里奥利流量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种科里奥利流量传感器，其包括至少一个科里奥利管，其中流量传感器包括用于使管振荡的激励装置，以及用于检测管的部分在操作期间的至少一位移量的检测装置。根据本发明，检测装置包括位于科里奥利管两侧的两个检测元件，其中检测元件彼此部分重叠。

Description

科里奥利流量传感器
本发明涉及一种科里奥利流量传感器，其包括至少一科里奥利管、用于使管振荡的激励装置、以及用于检测管的一部分在操作期间的至少一位移量的检测装置。
从EP 1 719 982 A1中已知一种具有环形科里奥利管的科里奥利流量传感器。该专利中描述了各种类型的环形科里奥利管，包括单环型和(连续)双环型。本发明涉及这些类型中的任何一种，但不限于此。
科里奥利流量传感器(也表示为科里奥利类型的流量传感器)包括至少一个振动管，通常表示为科里奥利管、流量管或传感管。该管或这些管在两个端部固定至仪器的壳体上。这些管的端部同时用作待测量的液体流或气体流的进料管道和排放管道。
除了流量管(或多个流量管)之外，科里奥利流量传感器还包括两个另外的子系统，即一个用于激励且一个用于检测。激励系统(激励器)被布置成使管振动。为此目的，将一个或多个力或扭矩施加到部分管上。检测系统被布置成用于检测管的一个或多个点的随时间变化的至少一位移量。
当流体在振动管中流动时，它会引起与质量流量成比例的科里奥利力，这会影响管运动并改变振型。使用检测系统测量管位移，可以测量振型的变化，这允许质量流量测量。
由激励器产生的管的振动以差不多固定的频率发生，该频率随着流过管的介质密度以及其他因素的变化而略微变化。振动频率几乎总是管的固有频率，因此可以用最小的能量输入获得最大振幅。
当测量大的流体流量时，科里奥利质量流量传感器通常是优选的传感器，因为其是不依赖于介质的质量流量测量。虽然常规的科里奥利流量传感器被广泛使用，但是还没有市售的微机械科里奥利流量传感器。已知最精确的微科里奥利质量流量传感器能够测量0.55μg s-1至277μg s-1。相反，热流量传感器用于非常小的流量，但是这些类型的传感器依赖于流体性质并且对于每种流体都需要校准。将科里奥利流量传感器用于这些流量也将消除对每种流体进行校准的需要，并允许测量未知流体，如反应产物。
本发明的一个目的是提供一种改进的科里奥利流量传感器，特别是设计成对低流量灵敏的科里奥利流量传感器。
为此，本发明提供了一种科里奥利流量传感器，包括科里奥利管、激励装置以及检测装置。
科里奥利管包括相对于激励轴横向延伸的测量管部分。激励轴可以位于由科里奥利管限定的平面中。激励轴可以大体上与科里奥利管的对称轴重合。激励装置被设计成围绕激励轴施加科里奥利管的扭转振荡。因此，科里奥利位移是由于围绕振荡轴的振荡引起的，该振荡轴大体上横向于激励轴延伸并且位于由科里奥利管限定的平面中。
检测装置包括位于测量管部分的相对的侧面上的两个检测元件，它们部分与激励轴重叠。以这种方式，检测元件被定位成更靠近激励轴，使得所测得的激励振荡减小。通过缩短读出结构即检测元件之间的距离来减小所测得的激励幅度，并且可以通过改变读出结构的位置即将检测元件设置于科里奥利管的相对的侧面上来进一步减小距离。通过将读出结构如梳状物设置于流量管的相对的侧面上，它们可以部分地重叠并且每个检测元件如梳状物的中心可以被设置成更靠近激励轴或扭转轴的位置。这样，科里奥利流量传感器的灵敏度增加，因为测得的位移在很大程度上是科里奥利位移引起的。
检测元件被设置成使得它们与激励轴部分重叠。这允许检测元件被设置成更靠近扭转轴的中心，导致对激励振荡的灵敏度降低，同时保持对科里奥利位移的相同灵敏度。
检测元件彼此前后布置，部分重叠，如在平行于激励轴的方向上看到的，并且设置在测量管部分的相对的侧面上。检测元件大体上位于由科里奥利管限定的平面中，位于测量管部分的相对的侧面上。
根据本发明，两个检测元件中的至少一个相对于激励轴非对称地定位。读出结构如梳状物的中心被设置成距激励轴或扭转轴一定距离处。扭转轴和梳状结构的中心之间的距离也可以进一步缩短，然而，这也增加了可能改变扭转轴的精确位置的效果的影响(例如，制造过程中的缺陷)，这是不希望的。
通过本发明，设计、制造和测试了科里奥利流量传感器，其在1巴的最大压降下可测量高达50μg s-1且零稳定性为14ng s-1，获得了相比根据现有技术的科里奥利流量传感器40倍的改进。
在一个实施方式中，科里奥利管是大体上环形的，例如矩形环形。其他环形状，例如三角形，梯形或U形也是可以的
在一个实施方式中，两个检测元件中的每一个相对于激励轴被非对称地定位。在一个实施方式中，两个检测元件中的一个可以进一步被设置在激励轴的一侧，并且两个检测元件中的另一个可以被设置在激励轴的另一侧。这样，由于科里奥利位移，所测得的激励振荡与电容值相比相对较小；此外，由于检测元件的镜像定位，可以在一定程度上滤除这些激励振荡。
在一个实施方式中，检测元件是读出电极。这些特别适用于微机械科里奥利流量传感器。
在一个实施例中，检测元件如梳状物至扭转轴的距离从550μm(现有技术)被缩短到仅125μm(根据本发明)，导致对致动模式的灵敏度降低550/125 ＝4.4倍。另外，在一个实施方式中，通过减小科里奥利管的直径可以增加所测得的科里奥利振幅。例如，通过将沟道的直径从40μm改变为31μm，可以获得科里奥利振幅增加(40/31)3＝2.1倍。这意味着总的灵敏度可能会增加 9.2倍。
还可以通过增加读出结构的电容来减小检测元件即梳状物形式的读出元件的电噪声水平。为此，减小了相对电极的梳指之间的间隙。
下面将通过参考附图的实施例来更详细地解释本发明，在附图中：
图1a：是具有系统芯片和科里奥利流量传感器的现有技术的流量计的实施方式的示意图；
图1b：是图1a的流量计的正视图；
图1c：是图1a的流量计的横截面图；
图2a：显示了具有U形科里奥利管的装置中的科里奥利流量传感器的操作的说明(具有示意性表示的科里奥利管的致动和感测)；
图2b：显示了管的洛伦兹致动(扭转)和电容感测(拍打)；
图3：显示了根据本发明的科里奥利流量传感器的读出元件的实施方式。
在附图中，尽可能地以相同的附图标记给出相应的部件。
图1和2描绘了EP2078936B1中描述的现有技术的科里奥利流量计，本发明可以适用于这些科里奥利流量计。引用这些图是用于澄清这些类型的流量计的一般构造以及操作方法。
图1a显示了包括单晶硅衬底1的系统芯片17，衬底1中已经蚀刻了开口 4。该实施例中的系统芯片17具有带氮化硅制成的科里奥利管3的科里奥利流量传感器，当管3的两个外端部固定地连接到衬底1时，科里奥利管3自由地悬浮在开口4中。诸如皮拉尼压力传感器的绝对压力传感器2可以集成在衬底 1中或衬底1上。科里奥利管具有环形形状，在这种情况下是矩形环形。其他环形状，例如三角形、梯形或U形也是可以的。
系统芯片17(单片)组装有布置在载体5上的两个相互对置的永磁体9、 9'，载体5如陶瓷或合成树脂材料制成的PCB(印刷电路板)且其上具有铜轨道。衬底由安装在载体5上的<1,0,0>Si晶片制成。系统芯片17和载体5之间的电连接由布置成组6、7和8的所谓的接合线提供。接合线6(自传感器芯片开始的和至传感器芯片的)用于调节芯片温度/c.q.温度控制。如果需要，可以存在局部温度传感器和(环境)压力传感器2。
压力传感器2(如果存在的话)测量绝对压力。这很重要，因为管振动的品质因数尤其取决于气压。
接合线7用于使自由悬浮的管3振动。接合线8用于控制自由悬浮的管的读出元件。
自由悬浮的管3与杆状磁体9、9'，管3上的电流导体(线)10以及管上的电容传感器元件11和系统芯片17上的电容传感器元件12形成所谓的科里奥利流量计，这将在图2a至2b中进一步澄清。软磁性材料体可以可选地设置在环内一位置中的杆状磁体9和9'之间以便提高磁体装置的效率。
系统芯片17与外界的液压耦合由压力块13和14(图1b)提供。流体连接件16和16'存在于压力块14中。在压力块13、衬底1和压力块14之间施加压力提供了管15、15'和衬底1之间的流体连接的气密封闭。
图1b显示了与图1a相同的装置，但是从正面看的。系统芯片17的“上侧”位于杆状磁体9和9'的中心线18上。
图1c显示了与图1a相同的装置，这次是在系统芯片的区域截取的横截面。自传感器芯片开始的/至传感器芯片的用于PCB上的管致动控制的接合线6、7 是可见的，自传感器芯片开始的/至传感器芯片的用于PCB上的管感测控制的接合线8也是可见的。因此，接合线6、7和8用于科里奥利传感器的集成的传感器/感测器。
可围绕整个组件设置壳体以进行保护；这没有显示。
图2a显示了通过MST技术制造的U形科里奥利管3。科里奥利管3自由悬浮，并且部分地嵌入硅衬底中，在硅衬底中，科里奥利管3合并到存在于衬底中的入口沟道和出口沟道中，并且在衬底1的与自由悬浮部分3相对的一侧出来。衬底1因此形成固定科里奥利管3的外端部20、20'的管固定装置。施加的磁场31由箭头B表示，且用于产生洛伦兹力的穿过管3上的导体10的电流由32表示。
在操作期间，介质在21处进入并在21'处离开。介质的质量流量是每秒穿过管的横截面的质量。如果质量是一个独立的量，则通过图2a的U形管的质量流量必须在任何地方是相同的(否则质量会在某处积累，或质量在某处消失)。
因此，质量流量Q在管3中的任何地方具有相同的(恒定的)模量(或矢量“长度”)。然而，Q指向管部分22中的正x方向和管部分26中的负x方向。
存在图2b所示的以下方法来实现和应用具有图2a的U形管3的科里奥利质量流量计。U形管围绕旋转轴29(＝x轴)致动(振动)，在质量流的情况下，在离旋转轴的距离改变的位置处引起科里奥利力，这是在管部分24处。在管部分24上的该科里奥利力使U形管3围绕旋转轴30(＝y轴)旋转，引起管部分24的平移运动。此(振动)致动运动在图2b中标为34。所得到的引起科里奥利的围绕y轴的旋转与质量流量成比例并且导致管部分24的z运动35。管部分24同时执行两项运动，即致动扭转振动34和拍打运动35(与质量流量成比例)。
图3显示了根据本发明的科里奥利流量传感器中的管部分124的细节的顶视图，其被修改为检测装置(112、112')包括位于科里奥利管(124)的相对的侧面上的两个检测元件(112、112')，其中检测元件彼此部分重叠。图3显示了激励轴29，其位于x、y平面(参见坐标系28)中，基本上平行于x轴。科里奥利管显示了测量管部分124'，其横向于激励轴29延伸且大体上位于x、 y平面中。在测量管部分124'的相对的侧面，即在正x方向和负x方向上，设置了基部结构117，检测元件112、112'与基部结构117相关联。特别地，基部结构可以是系统芯片117的一部分。检测元件各自包括电容读出结构，每个电容读出结构由两个梳状结构111、113限定，其中一个111、111'连接到测量管部分124且另一个113、113'连接到基部部分117。这些电容读出结构对于本领域技术人员来说是已知的，例如EP2078936B1中参考图6a和6b所描述的那样。
检测元件112、112'大体上平行于测量管部分124延伸且因此在由科里奥利管限定的平面(x、y平面)中，基本上在y方向上在延伸。可以看出，检测元件112、112'被设置为在基本上平行于测量管部分124的方向(即y方向) 上相对于彼此是偏移的。检测元件112、112'都相对于激励轴29非对称地定位。在所示的实施方式中，检测元件112中的一个被设置成更靠右，而另一个检测元件112'被设置成更靠左。
通过这种定位，检测元件112、112'定位成更靠近扭转轴29，使得对激励位移的敏感性(参见图2b的顶部)降低。上面已经描述了这种定位的优点。
适用于制造微机械科里奥利流量传感器的制造工艺的实例描述于 EP2078936B1中，特别是关于图4a至图4j和图5。
可选择的制造工艺可以如下。
首先，在525μm厚的硅晶片上沉积500nm厚的LPCVD富硅氮化物 (SiRN)层。在SiRN层中蚀刻5μm长且1.2μm宽的矩形蚀刻狭缝以限定沟道的轮廓，并且使用半各向同性SF6等离子体蚀刻来蚀刻沟道。
沉积LPCVD原硅酸四乙酯(TEOS)厚层以在背面处理期间保护沟道。然后使用Bosch工艺从背面蚀刻传感器的入口和出口。
去除TEOS层并沉积LPCVD SiRN厚层(1.5μm)以形成沟道壁并密封蚀刻狭缝。在晶片顶部溅射10/200nm厚的铬和金层并图案化以形成用于致动和读出芯片的轨道和电极。最后一步包括各向同性SF6等离子体蚀刻步骤，以去除沟道部分周围的硅，得到可以振动的自由悬浮的沟道。

Claims (6)

1.一种科里奥利流量传感器，包括：
-科里奥利管(3)；
-激励装置(9、9'、10)，用于使所述科里奥利管围绕激励轴(29)振荡，其中所述科里奥利管包括相对于所述激励轴(29)横向延伸的测量管部分(124、124')；以及
-检测装置(112、112')，用于检测所述科里奥利管(3)的一部分在使用中的至少一运动量，其特征在于所述检测装置包括位于测量管部分(124)的相对的侧面上的、部分重叠所述激励轴(29)的两个检测元件(112、112')，其中在平行于所述激励轴(29)的方向上看，所述两个检测元件(112、112')彼此前后排布并且彼此部分重叠，并且其中所述两个检测元件(112、112')中的至少一个相对于所述激励轴(29)非对称地定位。
2.根据权利要求1所述的科里奥利流量传感器，其中所述科里奥利管(3)大体上为U形。
3.根据权利要求1所述的科里奥利流量传感器，其中所述两个检测元件(112、112')中的每一个相对于所述激励轴(29)非对称地定位。
4.根据权利要求2所述的科里奥利流量传感器，其中所述两个检测元件(112、112')中的每一个相对于所述激励轴(29)非对称地定位。
5.根据前述权利要求中任一项所述的科里奥利流量传感器，其中所述两个检测元件都是读出电极(111、113；111'、113')。
6.根据权利要求1所述的科里奥利流量传感器，其中所述科里奥利流量传感器是微机械科里奥利流量传感器。
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