DE69823026T2 - Integrierter resonanter mikrostruktur-sensor für hohe temperaturen - Google Patents

Integrierter resonanter mikrostruktur-sensor für hohe temperaturen Download PDF

Info

Publication number
DE69823026T2
DE69823026T2 DE69823026T DE69823026T DE69823026T2 DE 69823026 T2 DE69823026 T2 DE 69823026T2 DE 69823026 T DE69823026 T DE 69823026T DE 69823026 T DE69823026 T DE 69823026T DE 69823026 T2 DE69823026 T2 DE 69823026T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
microbeam
drive
bar
optical fiber
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE69823026T
Other languages
English (en)
Other versions
DE69823026D1 (de
Inventor
W. Daniel YOUNGNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honeywell Inc
Original Assignee
Honeywell Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honeywell Inc filed Critical Honeywell Inc
Application granted granted Critical
Publication of DE69823026D1 publication Critical patent/DE69823026D1/de
Publication of DE69823026T2 publication Critical patent/DE69823026T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/097Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/10Measuring force or stress, in general by measuring variations of frequency of stressed vibrating elements, e.g. of stressed strings
    • G01L1/103Measuring force or stress, in general by measuring variations of frequency of stressed vibrating elements, e.g. of stressed strings optical excitation or measuring of vibrations
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G01L1/183Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material by measuring variations of frequency of vibrating piezo-resistive material
    • G01L1/186Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material by measuring variations of frequency of vibrating piezo-resistive material optical excitation or measuring of vibrations
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/001Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of an element not provided for in the following subgroups of G01L9/0008
    • G01L9/0011Optical excitation or measuring
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0019Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a semiconductive element
    • G01L9/002Optical excitation or measuring

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)

Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte resonante Mikrostruktur(RIM)-Sensoren und insbesondere einen integrierten resonanten Mikrostruktur-Sensor für hohe Temperaturen.
  • Ein elektrischer RIMS-Sensor ist in 1 gezeigt. Ein Mikrobalken 11 schwingt mit einer resonanten Frequenz seiner Struktur. Der Balken 11 wird durch Säulen 12 gestützt, die ein Teil einer mikrobearbeiteten Vorrichtung 16 auf Siliziumbasis sind. Der Balken 11 wird durch eine kapazitive Platte 13, die sich nächst der Mitte des Balkens befindet und den Balken elektrostatisch veranlasst, sich in eine Richtung zum Kondensator 13 hin und davon weg zu biegen oder zu schwingen, elektrostatisch angetrieben. Das Abfühlen der Frequenz des Balkens 11 wird durch einen Piezowiderstand 14 durchgeführt, der in den Balken 11 eingebettet ist. Die Antriebs- und Abfühlelektronik 25 stellt elektrische Signale an die kapazitive Platte 13 bereit, um den Balken 11 anzutreiben und elektronische Signale vom Sensor 14 zu empfangen, die verarbeitet werden, um die Frequenz des Balkens 11 anzuzeigen. Ein Nachteil eines Sensors 16 ist, dass er bei Temperaturen über 200 Grad Celsius (°C) nicht gut funktionieren kann. Beispielsweise versagen Piezowiderstandssensoren bei Temperaturen über 250°C.
  • Neben dem elektrischen RIMS-System 16 gibt es auch ein in 2 gezeigtes optisches RIMS 17, das zum Abfühlen von Parametern in Umgebungen mit hoher Temperatur ähnlich unzulänglich ist. Das System 17 weist in ähnlicher Weise einen resonanten Balken 11 auf, der durch Säulen 12 gehalten wird, die ein Teil einer mikroverar beiteten integrierten Siliziumvorrichtung sind. Eine Leuchtdiode (LED) oder ein Laser 18 strahlt Licht 19 über eine optische Faser 20 durch den Balken 11 auf eine Photodiode 21, die unterhalb des Balkens 11 gelegen ist. Wenn die Photodiode 21 Licht 19 empfängt, erzeugt sie eine elektrische Ladung, die dann den Balken 11 elektrostatisch anzieht, wodurch sie veranlasst, dass er mit seiner natürlichen Frequenz schwingt. Licht 22 wird von der Photodiode 21 und vom Balken 11 reflektiert und wird über eine Faser 23 zu einer Photodiode 24 übertragen, die mit der Antriebs- und Abfühlelektronik 25 verbunden ist. Die Elektronik 25 verarbeitet die Lichtsignale 22, um die gegenwärtige Schwingungsfrequenz des resonanten Balkens zu bestimmen, die ein Vergleich der Signale 22 und eine Bestimmung der Schwebungsfrequenz zwischen den vom Photodetektor 21 bzw. vom Balken 11 reflektierten Signalen 22 ist, und um auch um ein angemessenes Antriebssignal zu bestimmen und bereitzustellen, um die Schwingung des Balkens aufrechtzuerhalten. Dieses System 17 ist ebenfalls nicht fähig, unter Umgebungen mit hoher Temperatur zu funktionieren. Beispielsweise versagen Photodioden bei Temperaturen über 250°C.
  • Die Europäische Patentbeschreibung Nr. 0 451 992 offenbart einen resonanten Mikrobalken-Sensor für hohe Temperaturen und einen Antriebskondensator zum elektrostatischen Antreiben des resonanten Balkens in eine Schwingung.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen wie in Anspruch 1 definierten resonanten Mikrobalken-Sensor für sehr hohe Temperaturen bereit.
  • Der Sensor kann die Merkmale eines jeden oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis 4 beinhalten.
  • Die vorliegende Erfindung benutzt weder eine photoelektrische Abtastung noch einen Photodiodenantrieb, wie dies beim oben erwähnten elektrischen bzw. optischen RIMS-Sensor der Fall ist.
  • Die Erfindung kann in verschiedensten Umgebungen mit hoher Temperatur wie etwa Düsentriebwerken, tiefen (geothermisch erhitzten) Bohrlöchern oder Verfahrenssteuerungen benutzt werden. Der RIMS-Sensor für hohe Temperaturen nach der Standardgestaltung kann für Dehnungsverschiebungen verwendet werden, die eine Empfindlichkeit von etwa 50 Picostrain und eine Verschiebungsempfindlichkeit bis hinunter zu etwa 1/10.000 eines Ångströms aufweisen. Die Erfindung kann als ein Drucksensor für die Differenz-, die Absolut- und die Messabtastung von Strömungspegel- und/oder akustischen Parametern benutzt werden. Die Empfindlichkeit und Genauigkeit eines derartigen Drucksensors kann so gut wie zwei Teile pro Million (ppm) der Spanne der Druckmessung sein. Eine Auslegerausführung des Mikrobalken-Sensors für hohe Temperaturen kann für Kraft-, Gewichts- und/oder Drehmomentmessungen benutzt werden. Die Auslegerausführung des Sensors kann zur Messung von Temperaturen, Magnetfeldern, Feuchtigkeit und VOCs (d. h., flüchtigen organischen Verbindungen) Bimorph-Dünnfilme einsetzen, wie in 7 und 8 gezeigt ist. Beziehungsweise kann diese Ausführung mit Wärmeausdehnungsungleichgewichts-, Magnetostriktions- (Nickel, Fe-Co, Terfinol usw.) und organischen oder anorganischen Filmen, die Feuchtigkeit absorbieren oder mit VOCs auswählend anschwellen, benutzt werden. Die RIMS-Gestaltung für hohe Temperaturen kann als ein Beschleuniger zur Abtastung der Beschleunigung, der Neigung (Kippen) und der Schwingung (spektrales Rauschen) benutzt werden. Die Beschleunigungsmesserausführung weist eine Empfindlichkeit und Stabilität nahe dem Mikro-G-Bereich auf. Der Sensor kann auch eine Photodiode nächst dem Balken oder der Außenschale aufweisen. Er kann eine Art von Sensor sein, die zum Messen von Licht oder zum Durch führen von spektralen und/oder chemischen Analysen benutzt wird. Mit optischen Schmalbandpassfiltern (einschließlich Ultraviolett- und Infrarotfiltern) und einer Anordnung von auf RIMS basierenden Detektoren kann ein weiterer Bereich von chemischen Analysen durchgeführt werden. Häufig können Techniken in Verbindung mit der Elektronik benutzt werden, um die Empfindlichkeit weiter zu erhöhen. Die elektrisch angetriebene und optisch abfühlende RIMS-Sensoranordnung kann bei ultrahohen Temperaturen (etwa 600°C) für alle der oben angeführten Arten von Messungen verwendet werden. Bei der Polysiliziumabart ist der Balken bis zum plastischen Fließen des Polysiliziums funktional. Sensoren für höhere Temperaturen können Metall für den Balken und Saphir für den Chip und die Balkenaußenschale verwenden. Die optische Faser kann sowohl für das kapazitive Antreiben des Balkens als auch für das Abfühlen der natürlichen Frequenz des Balkens dicht an den Sensor gebracht werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt einen elektrischen RIMS-Sensor.
  • 2 zeigt einen optischen RIMS-Sensor.
  • 3 offenbart einen hybriden elektrisch/optischen RIMS-Sensor für Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen, der nicht in der vorliegenden Erfindung beansprucht ist.
  • 4 offenbart einen hybriden elektrisch/optischen RIMS-Sensor für Umgebungen mit ultrahohen Temperaturen, der nicht in der vorliegenden Erfindung beansprucht ist.
  • 5 offenbart einen optischen RIMS-Sensor der vorliegenden Erfindung für Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen.
  • 6 zeigt eine RIMS-Sensoranordnung.
  • 7 veranschaulicht einen freihängenden Bimorph-RIMS-Sensor.
  • 8 veranschaulicht einen außenschalengekoppelten Bimorph-RIMS-Sensor.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In 3 wird ein resonanter Mikrobalken 11 durch Säulen 12 gehalten. Der Balken 11 wird durch einen Antriebskondensator 13, der über einen elektrischen Leiter 31 mit der Antriebs- und Abfühlelektronik 25 verbunden ist, elektrostatisch angetrieben. Die Länge des Leiters 31 kann von 5 Millimetern bis zu 5 Kilometern variieren. Der Mikrobalken 11 ist durch eine Polysiliziumaußenschale 26 abgedeckt und abgedichtet. Nebenbei bemerkt sind auch der Mikrobalken 11 und die Säulen 12, die zusammen eine integrierte Siliziumvorrichtung bilden, aus Polysilizium mikrobearbeitet. Licht 27 wird aus der Faser 28 weiter durch die Außenschale 26 und teilweise weiter durch den Balken 11 zum Kondensator 13 übertragen. Das Licht 27 wird vom Balken 11 und vom Kondensator 13 durch die Außenschale 26 in die Faser 28, die mit einem Photovervielfacher 29 verbunden ist, zurückgestrahlt. Eine Schwebungsfrequenz des reflektierten Lichts 27 vom Balken 11 und vom Kondensator 13 zeigt die Frequenz der Schwingung des Balkens 11 an. Das elektrische Ausgangssignal des Photovervielfachers 29 verläuft zur Antriebs- und Abfühlelektronik 25 des Systems 10.
  • Der dielektrisch isolierte Antriebskondensator 13 funktioniert bei sehr hohen Temperaturen gut. Desgleichen funktioniert die optische Abtastung, die die Rückstrahlung von Licht 27 von den Oberflächen des Balkens 11 und des Kondensators 13 umfasst, bei sehr hohen Temperaturen gut. Die Beschränkungen dieses hybriden elektrisch/optischen RIMS-Sensors 10 werden offenbar, wenn die Temperatur des plastischen Fließens des Polysiliziums des Balkens 11 erreicht wird. Eine derartige Bedingung beschränkt die mechanische Stabilität des Balkens bei Temperaturen über etwa 600°C.
  • Die Antriebs- und Abfühlelektronik 25 des Systems 10 stellt ein geeignetes Antriebssignal bereit, um den Balken 11 mit seiner natürlichen Frequenz zu schwingen. Die vom Balken 11 über die Faser 28 als Licht 27 abgefühlten Signale gelangen zum Photovervielfacher 29, der die Signale des Lichts 27 in elektrische Signale an die Elektronik 25 umwandelt, die verarbeitet werden, um die gegenwärtige Frequenz des Balkens 11 anzuzeigen. Die durch den Balken 11 gemessenen Parameter werden über die Entfernung zwischen den Säulen 12 abgefühlt, die den Balken 11 entweder strecken oder zusammenziehen und dadurch seine resonante Frequenz, die eine Angabe eines besonderen Parameterwerts ist, beeinflussen.
  • 4 offenbart eine Ausführungsform 30 eines elektrisch/optischen RIMS-Sensors für ultrahohe Temperaturen von 500 bis 1000°C. Zwei bedeutende Merkmale, die die Temperaturfähigkeiten des Systems 30 über jene des Systems 10 in 3 hinaus steigern, sind die in der mikrobearbeiteten integrierten Vorrichtung verwendeten Materialien. Beispielsweise ist der resonante Mikrobalken 32 aus einem Metall wie etwa Wolfram hergestellt. Die Außenschale 33, der Träger und die Säulen 12 sind aus Saphir (d. h. Al2O3) oder anderen ähnlichen Materialien hergestellt. Der resonante Mikrobalken 32 wird durch den Antriebskondensator 13 über einen elektrischen Leiter 31, der ein Antriebssignal von der Antriebs- und Abfühlelektronik 25 trägt, elektrostatisch angetrieben. Die Länge des Leiters 31 kann wiederum abhängig von den praktischen Anwendbarkeiten der Anordnung des Systems 30 von 5 Millimetern bis zu 5 Kilometern variieren. Eine besondere natürliche Frequenz des Balkens 32, nachdem dieser durch den Kondensator 13 angetrieben wurde, hängt vom Material und den Ausmaßen des Balkens 32 und davon ab, ob der Balken 32 durch die Säulen 12 gemäß dem Parameter, der durch die Vorrichtung, auf der RIMS und der Kappensensor gelegen sind, gemessen wird, zusammengezogen oder gedehnt wird.
  • Um die natürliche Frequenz des Balkens 32 abzufühlen, kann ein Licht 34 aus einer optischen Faser 28 weiter durch die Außenschale 33 in den Balken 32 gelangen. Das Licht 35 wird dann vom Balken 32, dem Antriebskondensator 13 und/oder der Außenschale 33 in die optische Faser 28 und auf den Photovervielfacher oder die Diode 29 zurückgestrahlt. Bei Temperaturen von 600°C und darüber wird kein Licht 34 benötigt, um den Balken 32 zu beleuchten, da sich der Balken bei einer Temperatur befindet, die hoch genug ist, dass er ein sehr guter Infrarotstrahler und daher eine Quelle von Licht ist, das durch die Außenschale 33 hindurch und weiter in die Faser 28 übertragen wird. Die Außenschale 33 ist gegenüber Infrarotlicht teilweise rückstrahlend und teilweise transparent. Das Licht 35 verläuft durch einen Infrarotfilter 54 und auf den Photovervielfacher oder die Diode 29, um in elektrische Signale umgewandelt zu werden. Die elektrischen Signale von der Vorrichtung 29 werden zur Antriebs- und Abfühlelektronik 25 weitergesendet, die die Signale verarbeitet, um die Frequenz des Balkens 32 und wiederum den Parameterwert, den das System 30 abfühlt, anzuzeigen. Das abgefühlte Signal befähigt die Antriebselektronik 25, das angemessene Signal an den Antriebskondensator bereitzustellen, um den Balken 32 in einer Schwingung bei seiner natürlichen Frequenz zu halten.
  • 5 offenbart ein gleichsam vollständig optisches RIMS-Sensorsystem 40 für Umgebungen mit sehr hohen Tem peraturen, das die vorliegende Erfindung verkörpert. Das Merkmal des Systems 40 ist, dass die gesamte Fernkommunikation zwischen der Antriebs- und Abfühlelektronik 25 und dem Mikrobalken-Sensor 36 über optische Fasern 28 und 39 erfolgt. Diese Faseranordnung kann auch bei den Anordnungen 10 und 30 von 3 bzw. 4 verwendet werden.
  • Die Außenschale 37 des Systems 40 ist ein schlechter schwarzer Strahler und ist gegenüber Infrarotlicht transparent. Der Mikrobalken 36 ist gegenüber Infrarotlicht teilweise rückstrahlend und teilweise transparent. Der Träger ist ein guter schwarzer Strahler. Die Antriebs- und Abfühlelektronik 25 sendet über eine Leuchtdiode oder eine Laserlichtquelle ein Antriebssignal in Form eines Lichtsignals durch die optische Faser 39, die mit der Photodiode 38 verbunden ist, aus. Die Länge der optischen Faser 39 kann von 5 Millimetern bis zu 5 Kilometern variieren. Der Vorteil der Verwendung der optischen Faser über lange Strecken ist, dass Probleme mit dem Signal-Rausch-Verhältnis, die in Bezug auf die Übertragung von elektrischen Signalen entlang langer Leiter auftreten, vermieden werden. Die Photodiode 38 ist dem Sensormikrobalken 36 physisch nahe, ist jedoch weit genug entfernt, um in einer Umgebung zu bleiben, die eine Temperatur von vorzugsweise weniger als 185°C aufweist. Der Leiter 31 führt das elektrische Antriebssignal von der Photodiode 38 zum Antriebskondensator 13, der den Mikrobalken 36 elektrostatisch in eine Schwingung mit seiner natürlichen Frequenz antreibt.
  • Die Feststellung des Balkens 36 erfolgt mit Infrarotlicht vom Träger als schwarzer Strahler durch den Balken 36 und die Außenschale 37. Das Licht 41 wird durch einen Infrarotfilter 42 gefiltert und gelangt in die optische Faser 28, um zum Photovervielfacher oder der Diode 29 zurückgeführt zu werden, wo das Abfühlsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses elektrische Signal wird zur Antriebs- und Abfühlelektronik 25 gesendet. Die Elektronik 25 verarbeitet das elektrische Signal vom Photodetektor 29 zu einer Angabe einer natürlichen Resonanzfrequenz, die wiederum in einen Parameterwert umgewandelt wird, der durch den Mikrobalken 36 aufgrund eines Zusammenziehens oder Dehnens durch die Säulen 12 gemessen wird, die ein Teil einer mikrobearbeiteten integrierten Vorrichtung sind, welche ein Teil eines Geräts ist, das am Abfühlen des Parameters beteiligt ist.
  • 6 offenbart eine Ausführungsform der Erfindung, die in einer verpackten Ausführung 50 aufgenommen ist. Auf einem Siliziumchip 43 befinden sich ein mikrobearbeiteter Mikrobalken 44 und eine Außenschale 45. Der Siliziumchip 43 weist ein Röhrchen 46 aus PYREX (oder aus einem anderen ähnlichen Material) auf, das daran TE-geklebt ist. Die Rückseite ist mit Al2O3 formüberzogen. An der anderen Seite des Siliziumchips 43 befindet sich ein daran TE-geklebtes PYREX-Röhrchen 47. Leitungen 49 sind mit Drahtbondungen 51 an den Siliziumchip 43 an der Vorrichtung 50 angebracht. Die Drahtbondungen 51 sind letztlich mit den Antriebskondensator 13 verbunden, der nächst dem Mikrobalken 44, der durch Säulen 12 gehalten wird, im Siliziumchip 43 gelegen ist. Die zu messenden Parameter wie etwa ein Druck, werden über das Röhrchen 46 abgefühlt und beeinflussen den Siliziumchip 43 in der Form eines Biegens, das wiederum durch den Mikrobalken 44 in der Form eines Zusammenziehens oder Ausdehnens, wodurch die natürliche Frequenz des Balkens 44 beeinflusst wird, abgefühlt wird. Der Balken 44 wird durch den Kondensator 13, der über die Drähte 49 und Drahtbondungen 51 Antriebssignale von der externen Elektronik 25 erhält, elektrostatisch angetrieben. Das Licht kann über die optische Faser 48 eingebracht werden, um die natürliche Frequenz des Balkens 44 abzufühlen, oder der Siliziumchip 43 kann eine Quelle derartigen Lichts zum Abfühlen sein. Das abgefühlte Licht wird vom Balken 44 durch die optische Faser 48 zur An triebs- und Abfühlelektronik 25 befördert. Die Drähte 49 für den Antriebskondensator 13 können mit der Antriebs- und Abfühlelektronik 25 verbunden sein oder, wie beispielsweise in 5 gezeigt ist, über eine Photodiode 38 und eine optische Faser 39 mit der Elektronik 25 verbunden sein. Verschiedene Kerben am Röhrchen 47 nahe dem Chip 43 können mit einem Hochtemperaturbindemittel 52 gefüllt sein. Eine flexible Umhüllung 53 umgibt den gesamten Aufbau des Geräts 50 für Anbringungszwecke und/oder die Umgebung betreffende Belange. Die Vorrichtung 50 ist eine Anordnung, die wahrscheinlich zum Druckabfühlen verwendet wird.
  • 7 zeigt den freihängenden Bimorph-RIMS-Mikrobalken-Sensor 55. Ein Siliziumausleger 56 weist einen daran geklebten magnetostriktiven Film 57 auf. Jedwede Veränderung des Ausmaßes des magnetostriktiven Films aufgrund einer Parametermessung wie etwa jener eines Magnetfelds beeinflusst den Siliziumausleger 56, indem dieser veranlasst wird, sich in die eine oder die andere Richtung zu biegen, wodurch die Säulen 12 den Balken 58 veranlassen, sich als Ergebnis des Abfühlens des Parameters durch den Film 57 entweder zusammenzuziehen oder auszudehnen. Die natürliche Frequenz des Balkens 58 wird auf die verschiedenen Weisen von 3 bis 5 abgefühlt, wie im Vorhergehenden besprochen wurde. Eine Vakuumaußenschale 59 ist über dem RIMS-Balken 58 ausgebildet. Der Film 57 kann aus anderen Substanzen hergestellt sein, die in Bezug auf Temperaturen, Feuchtigkeit und/oder VOCs empfindlich sind.
  • 8 offenbart eine außenschalengekoppelte Anordnung 60 eines Sensors, der die vorliegende Erfindung enthält. Ein Siliziumträger 61 hält die Vakuumaußenschale 62. Säulen 12, die den RIMS-Balken 63 halten, sind auf der Vakuumaußenschale 62 ausgebildet. Ein magnetostriktiver Film 64, dessen Ausmaß sich in Bezug auf einen besonderen Parameter wie etwa jenen eines Magnetfelds, das gemessen wird, verändern kann, ist an der anderen Seite der Außenschale 62 ausgebildet. Diese Veränderung des Ausmaßes des Films 64 verzerrt die Außenschale 62, die wiederum den Balken 63 über die Säulen 12 entweder zusammenzieht oder ausdehnt und dadurch die natürliche Frequenz des Balkens 63 beeinflusst. Der Film 64 kann aus anderen Substanzen hergestellt sein, die in Bezug auf Temperaturen, Feuchtigkeit und/oder VOCs empfindlich sind. Der Balken 63 wird durch die im Vorhergehenden beschriebenen Techniken und Vorrichtungen angetrieben und abgefühlt, und die sich ergebenden Signale werden durch die Elektronik verarbeitet, um Angaben von natürlichen Frequenzen bereitzustellen und dadurch verschiedene Werte der gemessenen Parameter anzuzeigen.

Claims (4)

  1. Resonanter Mikrobalken-Sensor für sehr hohe Temperaturen, umfassend einen Träger (67), der ein schwarzer Strahler von Infrarotlicht ist; einen Mikrobalken (36), der auf dem Träger (67) ausgebildet ist, wobei der Mikrobalken (36) in Bezug auf Infrarotlicht teilweise rückstrahlend und teilweise transparent ist, und der Mikrobalken (36) eine Resonanzfrequenz aufweist, die einen Wert eines Parameters, der gemessen wird, anzeigt; einen Antriebskondensator (13), der neben dem Mikrobalken (36) gelegen ist; eine erste optische Faser (28), die ein erstes Ende aufweist, das sich neben dem Mikrobalken (36) befindet; einen elektrischen Leiter (31), der mit dem Antriebskondensator (13) verbunden ist; einen ersten Photodetektor (38), der mit dem elektrischen Leiter (31) verbunden ist, wobei sich der erste Photodetektor (38) in einer Umgebung befindet, die eine Temperatur von weniger als 250°C aufweist; eine zweite optische Faser (39), die ein erstes Ende aufweist, das mit dem ersten Photodetektor (38) verbunden ist; und eine Außenschale (37), die über dem Mikrobalken (36) auf dem Träger (67) zwischen der ersten optischen Faser (28) und dem Mikrobalken (36) ausge bildet ist, wobei die Außenschale (37) in Bezug auf Infrarotlicht transparent ist und ein schlechter schwarzer Strahler ist; und wobei Infrarotlicht, das durch den Träger (67) ausgestrahlt wird, teilweise durch den Mikrobalken (36) und durch die Außenschale (37) übertragen wird und ein Signal, das die Frequenz des Mikrobalkens (36) anzeigt, in das erste Ende der ersten optischen Faser (28) bereitstellt.
  2. Resonanter Mikrobalken-Sensor nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiten Photodetektor (29), der mit einem zweiten Ende der ersten optischen Faser (28) verbunden ist; und eine Antriebs- und Abfühlelektronik (25), die mit dem ersten und dem zweiten Photodetektor (29, 38) verbunden ist, wobei die Elektronik (25) aus Signalen des zweiten Photodetektors (29) eine Frequenz der Schwingung des Mikrobalkens (36) bestimmt und dem ersten Photodetektor (38) Antriebssignale bereitstellt.
  3. Resonanter Mikrobalken-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen Infrarotfilter (42), der zwischen dem ersten Ende der ersten optischen Faser (28) und dem Mikrobalken (36) gelegen ist.
  4. Resonanter Mikrobalken-Sensor nach Anspruch 2, wobei die Antriebs- und Abfühlelektronik (25) den Wert des Parameters, der gemessen wird, anzeigt.
DE69823026T 1997-12-30 1998-12-07 Integrierter resonanter mikrostruktur-sensor für hohe temperaturen Expired - Lifetime DE69823026T2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US999165 1992-12-31
US08/999,165 US6031944A (en) 1997-12-30 1997-12-30 High temperature resonant integrated microstructure sensor
PCT/US1998/025932 WO1999034186A1 (en) 1997-12-30 1998-12-07 High temperature resonant integrated microstructure sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69823026D1 DE69823026D1 (de) 2004-05-13
DE69823026T2 true DE69823026T2 (de) 2004-10-28

Family

ID=25545985

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE69839024T Expired - Lifetime DE69839024T2 (de) 1997-12-30 1998-12-07 Integrierter resonanter Mikrostruktur-Sensor für hohe Temperaturen
DE69823026T Expired - Lifetime DE69823026T2 (de) 1997-12-30 1998-12-07 Integrierter resonanter mikrostruktur-sensor für hohe temperaturen
DE69833461T Expired - Lifetime DE69833461T2 (de) 1997-12-30 1998-12-07 Integrierter resonanter Mikrostruktur-Sensor für hohe Temperaturen

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE69839024T Expired - Lifetime DE69839024T2 (de) 1997-12-30 1998-12-07 Integrierter resonanter Mikrostruktur-Sensor für hohe Temperaturen

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE69833461T Expired - Lifetime DE69833461T2 (de) 1997-12-30 1998-12-07 Integrierter resonanter Mikrostruktur-Sensor für hohe Temperaturen

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6031944A (de)
EP (3) EP1365222B1 (de)
DE (3) DE69839024T2 (de)
WO (1) WO1999034186A1 (de)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6126311A (en) * 1998-11-02 2000-10-03 Claud S. Gordon Company Dew point sensor using mems
US6246638B1 (en) * 1999-03-30 2001-06-12 Honeywell International Inc. Fiber-optic vibration sensor based on frequency modulation of light-excited oscillators
US6612175B1 (en) 2000-07-20 2003-09-02 Nt International, Inc. Sensor usable in ultra pure and highly corrosive environments
US7152478B2 (en) * 2000-07-20 2006-12-26 Entegris, Inc. Sensor usable in ultra pure and highly corrosive environments
US6894787B2 (en) * 2001-12-21 2005-05-17 Honeywell International Inc. Optical pressure sensor
US6714007B2 (en) * 2002-01-18 2004-03-30 Honeywell International Inc. Optically powered resonant integrated microstructure magnetic field gradient sensor
US6710355B2 (en) 2002-02-07 2004-03-23 Honeywell International Inc. Optically powered resonant integrated microstructure pressure sensor
US8154092B2 (en) 2004-08-09 2012-04-10 Case Western Reserve University Silicon carbide MEMS structures and methods of forming the same
US7499604B1 (en) 2004-12-12 2009-03-03 Burns David W Optically coupled resonant pressure sensor and process
US7605391B2 (en) * 2004-12-12 2009-10-20 Burns David W Optically coupled resonator
US7176048B1 (en) 2004-12-12 2007-02-13 Burns David W Optically coupled sealed-cavity resonator and process
US7379629B1 (en) * 2004-12-12 2008-05-27 Burns David W Optically coupled resonant pressure sensor
US7443509B1 (en) 2004-12-12 2008-10-28 Burns David W Optical and electronic interface for optically coupled resonators
US8042412B2 (en) * 2008-06-25 2011-10-25 General Electric Company Turbomachinery system fiberoptic multi-parameter sensing system and method
US8136988B2 (en) * 2009-01-15 2012-03-20 The Boeing Company Methods and systems for passive, wireless temperature monitoring
US20100189444A1 (en) * 2009-01-27 2010-07-29 General Electric Company Optical mems device and remote sensing system utilizing the same
US20100290503A1 (en) * 2009-05-13 2010-11-18 Prime Photonics, Lc Ultra-High Temperature Distributed Wireless Sensors
CN102042870B (zh) * 2010-09-09 2012-01-04 北京航空航天大学 高速巡航导弹翼面600℃高温热振耦合试验固有频率测取装置
CN102539099B (zh) * 2012-02-02 2014-06-11 北京航空航天大学 高超声速飞行器翼舵结构1400℃高温模态试验测量装置
CN103439133B (zh) * 2013-08-27 2016-02-17 北京航空航天大学 高超声速飞行器250℃/秒高速热冲击试验装置及方法
US9625366B2 (en) 2013-11-11 2017-04-18 3R Valo, société en commandite Microwave resonator sensor and associated methods of sensing
JP6201887B2 (ja) * 2014-05-14 2017-09-27 株式会社デンソー 圧力センサ
CN103969137B (zh) * 2014-05-23 2016-03-09 北京航空航天大学 一种极端高温环境下纳米隔热材料热振联合实验装置
CN106872015B (zh) * 2017-02-22 2019-04-09 重庆邮电大学 一种光纤型振动传感测量系统
US10488429B2 (en) * 2017-02-28 2019-11-26 General Electric Company Resonant opto-mechanical accelerometer for use in navigation grade environments

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2121953B (en) * 1982-06-10 1985-09-04 Itt Ind Ltd Improvements in transducers
US5090254A (en) * 1990-04-11 1992-02-25 Wisconsin Alumni Research Foundation Polysilicon resonating beam transducers
US5559358A (en) * 1993-05-25 1996-09-24 Honeywell Inc. Opto-electro-mechanical device or filter, process for making, and sensors made therefrom
US5458000A (en) * 1993-07-20 1995-10-17 Honeywell Inc. Static pressure compensation of resonant integrated microbeam sensors
US5511427A (en) * 1993-07-21 1996-04-30 Honeywell Inc. Cantilevered microbeam temperature sensor
US5417115A (en) * 1993-07-23 1995-05-23 Honeywell Inc. Dielectrically isolated resonant microsensors
US5550516A (en) * 1994-12-16 1996-08-27 Honeywell Inc. Integrated resonant microbeam sensor and transistor oscillator

Also Published As

Publication number Publication date
EP1376087A1 (de) 2004-01-02
US6031944A (en) 2000-02-29
EP1365222A2 (de) 2003-11-26
DE69839024T2 (de) 2009-01-08
EP1365222A3 (de) 2004-01-02
EP0981725B1 (de) 2004-04-07
DE69839024D1 (de) 2008-03-06
DE69833461T2 (de) 2006-09-14
DE69833461D1 (de) 2006-04-20
EP0981725A1 (de) 2000-03-01
WO1999034186A1 (en) 1999-07-08
DE69823026D1 (de) 2004-05-13
EP1376087B1 (de) 2006-02-15
EP1365222B1 (de) 2008-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69823026T2 (de) Integrierter resonanter mikrostruktur-sensor für hohe temperaturen
DE19514852C2 (de) Verfahren und Anordnung zur Beschleunigungs- und Vibrationsmessung
US7003184B2 (en) Fiber optic probes
US3224279A (en) Accelerometer
EP0716291A2 (de) Sensor und Verfahren zum Messen von Abständen zu einem Medium und/oder dessen physischen Eigenschaften
DE60312546T2 (de) Auf Biegung und Dehnung empfindlicher Schwingungssensor
JP2001500270A (ja) 張力又は圧縮歪を測定するための一体型光学的歪センサを備えたブルドンチューブ圧力ゲージ
DE4136510A1 (de) Beschleunigungssensor
CN101943568A (zh) 用于检测大的反复形变的纤维应变传感器以及测量系统
CN100507486C (zh) 可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器
Bao et al. Temperature-insensitive 2-D pendulum clinometer using two fiber Bragg gratings
DE3935083A1 (de) Messanordnung zum erfassen einer atembewegung
DE102014009214A1 (de) Faseroptischer Beschleunigungsmesser
Morikawa et al. Triaxial Bragg grating accelerometer
DE3418247C2 (de) Durchbiegungsmesser
US4891511A (en) Fiber optic microbend sensor with braided fibers
DE602004010255T2 (de) Optischer Verschiebungswandler,Verschiebungsmesssystem und Verfahren zur Verschiebungsdetektion davon f
US4825069A (en) Relative movement sensor
CN206847755U (zh) 一种车辆动态称重系统
DE102005016641B4 (de) Anordnung und Verfahren zur optischen Druckmessung in Umgebungen mit erhöhten Anforderungen an Explosionsschutz und/oder EMV-Festigkeit
GB2214771A (en) Optical fibre pressure or weight transducer
Guan et al. Polymer MOEMS accelerometer
DE3129847A1 (de) "verfahren und anordnung zur messung mechanischer groessen"
DE10039094C1 (de) Vorrichtung zur quantitativen hochauflösenden Messung von Abständen, Kräften, Elastizitäten, Drücken und Beschleunigungen
CN219223980U (zh) 一种光纤传感器及光纤传感系统

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition