DE69833461T2 - Integrierter resonanter Mikrostruktur-Sensor für hohe Temperaturen - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte resonante Mikrostruktur-Sensoren (RIM-Sensoren), und insbesondere integrierte resonante Mikrostruktur-Sensoren für hohe Temperaturen.
- Ein elektrischer RIMS-Sensor ist in
1 dargestellt. Mikrostrahl11 vibriert auf einer resonanten Frequenz seiner Struktur. Strahl11 wird von Stützpfeilern12 abgestützt, die ein Teil einer mikrobearbeiteten Silizium-basierten Vorrichtung16 ist. Der Strahl11 wird elektrostatisch durch eine kapazitative Platte13 gesteuert, die in der Nähe des Strahlenzentrums angeordnet ist und den Strahl elektrostatisch dazu veranlasst, sich in Richtung auf einen Kondensator13 oder von diesem weg zu beugen oder zu vibrieren. Das Messen der Frequenz von Strahl11 erfolgt durch einen Piezowiderstand14 , der in Strahl11 eingebettet ist. Eine Steuer/Messelektronik25 stellt elektrische Signale an die kapazitative Platte13 für die Steuerung von Strahl11 bereit und empfängt elektronische Signale von Sensor14 , die verarbeitet werden, um die Frequenz von Strahl11 anzuzeigen. Ein Nachteil eines Sensors16 liegt darin, dass er bei Temperaturen über 200 °C nicht gut arbeiten kann. So versagen Piezowiderstände bei Temperaturen über 250 °C. - Neben dem elektrischen RIMS-System
16 gibt es außerdem ein optisches RIMS17 , dargestellt in2 , das ähnlich unzureichend für das Messen von Parametern in Umgebungen mit hohen Temperaturen ist. Das System17 verfügt in gleicher Weise über einen resonanten Strahl11 , der von Stützpfeilern12 abgestützt wird, die Teil einer mikromechanisch bearbeiteten integrierten Siliziumvorrichtung sind. Eine Leuchtdiode (LED) oder ein Laser18 emittieren Licht19 über Glasfaser20 durch den Strahl11 auf eine Photodiode21 , die unterhalb von Strahl11 angeordnet ist. Wenn die Photodiode21 Licht19 empfängt, erzeugt sie eine elektrische Ladung, die dann den Strahl11 elektrostatisch anzieht und ihn so dazu veranlasst, in seiner natürlichen Frequenz zu vibrieren. Licht22 wird von der Photodiode21 reflektiert und Strahl11 wird über Faser23 auf eine Photodiode24 übertragen, die mit der Steuer/Messelektronik25 verbunden ist. Die Elektronik25 verarbeitet Lichtsignale22 zur Bestimmung der tatsächlichen Vibrationsfrequenz des resonanten Strahls, wobei es sich um einen Vergleich der Signale22 und um die Bestimmung der Schwebungsfrequenz zwischen den Signalen22 handelt, die jeweils von Photodetektor21 und Strahl11 reflektiert werden, sowie zur Bestimmung und Bereitstellung eines geeigneten Steuersignals zur Aufrechterhaltung der Vibration des Strahls. Es ist dem System17 ebenfalls nicht möglich, in Umgebungen mit einer hohen Temperatur zu arbeiten. So versagen beispielsweise Photodioden bei Temperaturen über 250 °C. - Die europäische Patentschrift Nr. 0 451 992 offenbart einen resonanten Mikrostrahl-Sensor für hohe Temperaturen und einen Steuerkondensator, der den resonanten Strahl vibrieren lässt.
- KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung stellt einen Sensor gemäß Anspruch 1 bereit. Der Sensor kann die Merkmale von einem oder mehreren der abhängigen Ansprüche 2 bis 6 aufweisen.
- Die vorliegende Erfindung benutzt weder eine piezoelektrische Messung noch eine Photodiodensteuerung wie im Fall der oben erwähnten elektrischen und optischen RIMS-Sensoren.
- Die Erfindung kann in diversen Umgebungen mit hoher Temperatur angewandt werden, wie z. B. Triebwerke, tiefe (geothermisch erwärmte) Brunnen und Prozesssteuerungen. Der RIMS-Sensor mit Standardaufbau für hohe Temperaturen kann mit einer Empfindlichkeit von etwa fünfzig Picostrain und einer Verschiebungsempfindlichkeit bis auf etwa 1/10.000 Angstrom bei Dehnungsverschiebungen benutzt werden. Die Erfindung kann als Drucksensor für die Differentialmessung, die absolute Messung und die Druckmessung von Durchfluss- und/oder akustischen Parametern benutzt werden. Die Empfindlichkeit und Genauigkeit eines solchen Drucksensors können bei bis zu zwei ppm der Druckmessspanne liegen. Eine Blattfederversion des Mikrostrahlsensors für hohe Temperaturen kann für Kraft-, Gewicht- und/oder Drehmomentmessungen benutzt werden. Die Blattfederversion des Sensors kann zur Messung von Temperatur, Magnetfeldern, Feuchtigkeit und flüchtigen organischen Verbindungen bimorphe dünne Schichten aufweisen, wie in
7 und8 gezeigt. Diese Version kann jeweils mit Fehlpassung durch Wärmeausdehnung, Magnetostriktion (Nickel, Fe-Co, Terfenol usw.) und mit organischen oder anorganischen Filmen benutzt werden, die Feuchtigkeit absorbieren oder selektiv in Verbindung mit flüchtigen organischen Verbindungen anschwellen. Der RIMS-Aufbau für hohe Temperaturen kann als ein Beschleuniger zur Messung von Beschleunigung, Neigung und Vibration (spektrales Rauschen) benutzt werden. Die Beschleunigungsmessversion weist eine Empfindlichkeit und Stabilität nahe dem Mikro-g-Bereich auf. Bei dem Sensor kann neben dem Strahl oder Mantel eine Photodiode angeordnet sein. Es kann sich um einen Sensor handeln, der zum Messen von Licht oder für spektrale und/oder chemische Analysen benutzt wird. Mit engen optischen Bandpassfiltern (einschließlich Ultraviolett- und Infrarotfiltern) und RIM-basierten Array-Detektoren kann eine breite Spanne von chemischen Analysen durchgeführt werden. Zusammen mit der Elektronik können oft Techniken zur weiteren Erhöhung der Messempfindlichkeit eingesetzt werden. Die Aufbauvarianten des elektrisch gesteuerten und des optisch messenden RIMS-Sensor können bei extrem hohen Temperaturen (um 600 °C) für alle oben genannten Messungen benutzt werden. In der Polysilikonversion arbeitet der Strahl bis zum plastischen Fließen des Polysilikons. Sensoren für höhere Temperaturen können für den Strahl Metall sowie Saphir für das Plättchen und den Strahlmantel benutzen. Glasfaser kann nah an den Sensor herangebracht werden, um zum einen den Strahl kapazitativ zu steuern und zum anderen die natürliche Frequenz des Strahls zu messen. - KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
1 zeigt einen elektrischen RIMS-Sensor. -
2 zeigt einen optischen RIMS-Sensor. -
3 zeigt einen hybriden elektrisch/optischen RIMS-Sensor für Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen, der nicht mit der vorliegenden Erfindung beansprucht wird. -
4 zeigt einen hybriden elektrisch/optischen RIMS-Sensor für Umgebungen mit extrem hohen Temperaturen, der nicht mit der vorliegenden Erfindung beansprucht wird. -
5 zeigt einen optischen RIMS-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung für Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen. -
6 zeigt einen RIMS-Sensor-Aufbau. -
7 erläutert einen bimorphen Blattfeder-RIMS-Sensor. -
8 erläutert einen Mantel-gekoppelten bimorphen RIMS-Sensor. - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
- In
3 ist der resonante Mikrostrahl11 durch Stützpfeiler12 abgestützt. Der Strahl11 wird durch Steuerkondensator13 kapazitativ gesteuert, welcher über einen elektrischen Leiter31 mit der Steuer/Messelektronik25 verbunden ist. Die Länge von Leiter31 kann zwischen 5 Millimetern und 5 Kilometern liegen. Der Mikrostrahl11 ist von einem Polysilikonmantel26 abgedeckt und eingeschlossen. Außerdem sind auch Mikrostrahl11 und Stützpfeiler12 durch mikromechanische Bearbeitung aus Polysilikon gebildet und bilden zusammen eine integrierte Siliziumvorrichtung. Licht27 wird von Faser28 weiter durch den Mantel26 und teilweise weiter durch Strahl11 zum Kondensator13 geleitet. Licht27 wird von Strahl11 und Kondensator13 zurückt durch Mantel26 in die Faser28 reflektiert, die mit einem Photoelektronenvervielfacher29 verbunden ist. Eine Schwebungsfrequenz des reflektierten Lichts27 von Strahl11 und Kondensator13 zeigt die Vibrationsfrequenz von Strahl11 an. Die elektrische Ausgabe von Photoelektronenvervielfacher29 geht an die Steuer/Messelektronik25 von System10 . - Der dielektrisch isolierte Steuerkondensator
13 arbeitet gut bei sehr hohen Temperaturen. Das optische Messen, bei dem Licht27 von der Oberfläche von Strahl11 und Kondensator13 reflektiert wird, funktioniert ebenso gut bei sehr hohen Temperaturen. Die Grenzen dieses hybriden elektrisch/optischen RIMS-Sensors10 werden deutlich, wenn die Temperatur erreicht ist, bei der das Polysilikon von Strahl11 plastisch zu fließen beginnt. Dieser Zustand schränkt die mechanische Stabilität des Strahls bei Temperaturen über etwa 600 °C ein. - Die Steuer/Messelektronik
25 von System10 stellt ein geeignetes Steuersignal zur Verfügung, um Strahl11 in seiner natürlichen Frequenz vibrieren zu lasen. Die von Strahl11 als Licht27 über Faser28 gemessenen Signale gehen an den Photoelektronenvervielfacher29 weiter, der die Lichtsignale27 in elektrische Signale an Elektronik25 umwandelt, welche verarbeitet werden, um die tatsächliche Frequenz von Strahl11 anzuzeigen. Die von Strahl11 gemessenen Parameter werden anhand des Abstands zwischen den Stützpfeilern12 gemessen, welcher den Strahl11 entweder ausdehnt oder zusammenzieht, wodurch dessen Resonanzfrequenz beeinflusst wird, was als Anzeige für einen bestimmten Parameterwert dient. -
4 offenbart die Ausführungsform30 eines elektrisch/optischen RIMS-Sensors für extrem hohe Temperaturen von 500 bis 1000 °C. Zwei wichtige Merkmale, welche die Temperaturleistungen des Systems30 gegenüber denen des Systems10 aus3 erhöhen, sind die in der mikromechanisch bearbeiteten integrierten Vorrichtung benutzten Materialien. Beispielsweise ist der resonante Mikrostrahl32 aus einem Metall wie z. B. Wolfram hergestellt. Mantel33 , das Substrat sowie die Stützpfeiler12 sind aus Saphir (d.h. AI2O3) oder anderen Materialien hergestellt. Der resonante Mikrostrahl32 wird über einen elektrischen Leiter31 , der ein Steuersignal von der Steuer/Messelektronik25 trägt, durch Steuerkondensator13 elektrostatisch gesteuert. Die Länge von Leiter31 kann wieder zwischen 5 Millimetern und 5 Kilometern liegen, je nach den praktischen Bedingungen für den Aufbau von System30 . Eine bestimmte natürliche Frequenz von Strahl32 hängt nach dessen Steuerung durch Kondensator13 von dem Material und der Größe von Strahl32 ab sowie davon, ob der Strahl32 von den Stützpfeilern12 gemäß den Parametern, die von der Vorrichtung gemessen werden, in welcher der RIMS und der kapazitative Sensor angeordnet ist, zusammengezogen oder gedehnt wird. - Um die natürliche Frequenz von Strahl
32 zu messen, kann ein Licht34 von einer Glasfaser28 aus durch Mantel33 in Strahl32 gelangen. Licht35 wird dann von Strahl32 , Steuerkondensator13 und/oder Mantel33 zurück in die Glasfaser28 auf den Photoelektronenvervielfacher oder die Diode29 reflektiert. Bei Temperaturen von 600 °C oder darüber ist kein Licht34 nötig, um Strahl32 anzuleuchten, da die Temperatur des Strahls hoch genug ist, dass der Strahl32 ein sehr guter Infrarotstrahler und also eine Quelle für Licht sein kann, das durch Mantel33 weiter in Faser28 geleitet wird. Mantel33 ist teilweise reflektierend und teilweise transparent für infrarotes Licht ausgebildet. Licht35 geht durch Infrarotfilter54 und auf Photoelektronenvervielfacher oder Diode29 , um in elektrische Signale umgewandelt zu werden. Elektrische Signale von Vorrichtung29 werden an die Steuer/Messelektronik geleitet25 , welche die Signale verarbeitet, um die Frequenz von Strahl32 und so die von System30 gemessenen Parameterwerte anzuzeigen. Das gemessene Signal ermöglicht es der Steuerelektronik25 , dem Steuerkondensator das geeignete Signal zur Verfügung zu stellen, um die Vibration von Strahl32 in seiner natürlichen Frequenz aufrechtzuerhalten. -
5 zeigt ein nahezu vollständig optisches RIM-Sensor-System für Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Merkmal von System40 ist, dass die gesamte Distanzkommunikation zwischen der Steuer/Messelektronik25 und dem Mikrostrahl-Sensor36 über Glasfasern28 und39 erfolgt. Dieser Faseraufbau kann auch bei dem Aufbau10 und30 aus3 bzw.4 benutzt werden. - Der Mantel
37 des Systems40 ist ein schwacher Schwarzkörperstrahler und ist transparent für infrarotes Licht. Der Mikrostrahl36 ist für infrarotes Licht teilweise reflektiv und teilweise transparent. Das Substrat ist ein guter Schwarzkörperstrahler. Die Steuer/Messelektronik25 sendet ein Steuersignal über eine Leuchtdiode oder eine Laser-Lichtquelle in Form eines Lichtsignals durch die Glasfaser39 aus, die mit der Photodiode38 verbunden ist. Die Länge der Glasfaser39 kann zwischen 5 Millimetern und 5 Kilometern liegen. Der Vorteil des Einsatzes von Glasfaser über große Distanzen liegt in der Vermeidung von Problemen mit dem Signal-Rausch-Verhältnis, die bei der Übertragung von elektrischen Signalen in langen Leitungen entstehen. Die Photodiode38 ist physikalisch nah am Sensor-Mikrostrahl36 angeordnet, jedoch weit genug beabstandet, dass sie in einer Umgebung verbleibt, deren Temperatur unter 185 °C liegt. Der Leiter31 überträgt ein elektrisches Steuersignal von der Photodiode38 an Steuerkondensator13 , der den Mikrostrahl36 elektrostatisch dazu veranlasst, in seiner natürlichen Frequenz zu vibrieren. - Eine Erfassung von Strahl
36 erfolgt durch infrarotes Licht vom Substrat als Schwarzkörperstrahler durch Strahl36 und Mantel37 hindurch. Licht41 wird durch Infrarotfilter42 gefiltert und tritt in die Glasfaser28 ein, um zurück zum Photoelektronenvervielfacher29 geleitet zu werden, wo das Messsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses elektrische Signal wird an die Steuer/Messelektronik25 geleitet. Die Elektronik25 verarbeitet das elektrische Signal von Photodetektor29 zu einer Anzeige des Parameterwertes, der von Strahl36 aufgrund seines Zusammenziehens oder Dehnens durch die Stützpfeiler12 gemessen wird, welche Teil einer mikromechanisch bearbeiteten integrierten Vorrichtung sind, welche ein Teil eines am Messen von Parametern beteiligten Apparates ist. -
6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die in eine Paketeinrichtung50 integriert ist. Auf einem Siliziumplättchen43 sind ein mikromechanisch verarbeiteter Mikrostrahl44 und ein Mantel45 angeordnet, Das Siliziumplättchen43 weist ein Röhrchen46 aus Pyrex (oder einem anderen ähnlichen Material) auf, das daran Te-gebunden ist. Die Rückseite ist mit Al2O3 überzogen. Auf der anderen Seite des Siliziumplättchens43 ist ein Pyrex-Röhrchen47 angeordnet, das daran Tegebunden ist. Glasfaser48 ist in die Öffnung des Pyrex-Röhrchens47 eingeführt. Anschlüsse49 sind an Vorrichtung50 mit Drahtverbindungen51 an Siliziumplättchen43 angebracht. Die Drahtverbindungen51 sind letztlich mit Steuerkondensator13 verbunden, der im Siliziumplättchen43 benachbart zu Mikrostrahl44 angeordnet ist, welcher von den Stützpfeilern12 abgestützt wird. Die zu messenden Parameter wie z. B. Druck werden über Röhrchen46 gemessen und beeinflussen Siliziumplättchen43 durch Biegen desselben, was wiederum von Mikrostrahl44 in Form eines Zusammenziehens oder Ausdehnens gemessen wird, was die natürliche Frequenz von Strahl44 beeinflusst. Strahl44 wird elektrostatisch von Kondensator13 gesteuert, der Steuersignale über Drähte49 und Drahtverbindungen51 von der externen Elektronik25 . Licht zum Messen der natürlichen Frequenz von Strahl44 kann über die Glasfaser48 eingebracht werden, oder das Siliziumplättchen43 kann eine solche Quelle für Licht zum Messen sein. Das erfasste Licht wird von Strahl44 durch die Glasfaser48 an die Steuer/Messelektronik25 geschickt. Die Drähte49 für den Steuerkondensator13 können mit der Steuer/Messelektronik25 verbunden sein oder können über eine Photodiode38 und eine Glasfaser39 mit der Steuer/Messelektronik25 verbunden sein, wie es anhand des Beispiels in5 gezeigt ist. Verschiedene Ausnehmungen an Röhrchen47 in der Nähe von Plättchen43 könne mit Hochtemperaturzement52 gefüllt sein. Eine flexible Verkleidung53 umgibt für Montagezwecke und/oder aus umwelttechnischen Gründen den gesamten Aufbau von Apparat50 . Die Vorrichtung50 ist ein Aufbau, der wahrscheinlich zum Druckmessen benutzt wird. -
7 zeigt den bimorphen Blattfeder-RIM-Mikrostrahl-Sensor55 . An einer Silizium-Blattfeder56 ist ein magnetostriktiver Film57 angeordnet. Jede Veränderung der Ausdehnung des magnetostritkiven Films aufgrund einer Parametermessung wie der eines Magnetfeldes beeinflusst die Silizium-Blattfeder56 , indem sie in die eine oder die andere Richtung gebogen wird, so dass die Stützpfeiler12 den Strahl58 dazu veranlassen, sich als Resultat der Messung des Parameters durch Film57 entweder zusammenzuziehen oder zu dehnen. Die natürliche Frequenz von Strahl58 wird in den verschiedenen Arten gemäß3 bis5 gemessen, wie oben beschrieben. Ein Vakuummantel59 ist über dem RIMS-Strahl58 ausgebildet. Der Film57 kann aus anderen Substanzen hergestellt sein, die sensibel auf Temperatur, Feuchtigkeit und/oder flüchtige organische Verbindungen reagieren. -
8 offenbart einen Mantel-gekoppelten bimorphen Aufbau60 eines Sensors, in den die vorliegende Erfindung integriert ist. Siliziumsubstrat61 stützt den Vakuummantel62 ab. Auf dem Vakuummantel62 sind Stützpfeiler12 ausgebildet, die den RIMS-Strahl63 abstützen. Auf der anderen Seite des Vakuummantels62 ist ein magnetostriktiver Film64 ausgebildet, dessen Ausdehnung in relativer Abhängigkeit zu einem bestimmten gemessenen Parameter wie z. B. einem Magnetfeld steht. Diese Veränderung der Ausdehnung von Film64 verformt den Mantel62 , wodurch wiederum über die Stützpfeiler12 der Strahl63 entweder zusammengezogen oder ausgedehnt wird, was die natürliche Frequenz von Strahl63 beeinflusst. Der Film64 kann aus anderen Substanzen hergestellt sein, die sensibel auf Temperatur, Feuchtigkeit und/oder flüchtige organische Verbindungen reagieren. Der Strahl63 wird durch die oben beschriebenen Techniken und Vorrichtungen gesteuert und gemessen, und die resultierenden Signale werden von Elektronik verarbeitet, um eine Anzeige der natürlichen Frequenzen zu erzielen, so dass verschiedene Werte der gemessenen Parameter angezeigt werden.
Claims (6)
- Resonanter Mikrostrahl-Sensor für sehr hohe Temperaturen, umfassend: einen Mikrostrahl (
36 ), der auf einem Substrat (67 ) ausgebildet ist, das ein Schwarzkörperstrahler von infrarotem Licht ist, wobei der Mikrostrahl (36 ) für infrarotes Licht teilweise reflektiv und teilweise transparent ist, und wobei der Mikrostrahl (36 ) und das Substrat (67 ) in einer ersten Umgebung mit Temperaturen bis zu 600 °C angeordnet sind, einen Steuerkondensator (13 ), der zum Mikrostrahl (36 ) benachbart angeordnet ist, einen ersten Glasfaserleiter (28 ) mit einem ersten Ende, das zum Mikrostrahl (36 ) benachbart angeordnet ist und mit einem zweiten Ende, das vom Mikrostrahl (36 ) entfernt angeordnet ist, der in einer zweiten Umgebung mit Raumtemperatur angeordnet ist, einen elektrischen Leiter (31 ), der mit dem Steuerkondensator (13 ) verbunden ist, einen Photodetektor (38 ), der mit dem elektrischen Leiter (31 ) verbunden ist, und einen zweiten Glasfaserleiter (39 ) mit einem ersten Ende, das mit dem Photodetektor (38 ) verbunden ist, und mit einem zweiten Ende, das vom Photodetektor (38 ) entfernt angeordnet ist, der in einer Umgebung mit Raumtemperatur angeordnet ist, und wobei der Mikrostrahl (36 ) eine Resonanzfrequenz aufweist, die einen Wert eines gerade gemessenen Parameters anzeigt, und der Photodetektor (38 ) in einer Umgebung angeordnet ist, die Temperaturen von unter 185 °C aufweist. - Resonanter Mikrostrahl-Sensor nach Anspruch 1, außerdem umfassend: einen Photoelektronenvervielfacher (
29 ), der zwischen dem zweiten Ende des ersten Glasfaserleiters (28 ) und einer Steuer/Messelektronik (25 ) verbunden angeordnet ist, wobei die Elektronik (25 ) eine Vibrationsfrequenz des Mikrostrahls (36 ) aus Signalen des Photoelektronenvervielfachers (29 ) bestimmt und Steuersignale über eine Lichtquelle (65 ), den zweiten Glasfaserleiter (39 ), den Photodetektor (38 ) und den elektrischen Leiter (31 ) für den Steuerkondensator (13 ) bereitstellt, der den Mikrostrahl (36 ) steuert. - Resonanter Mikrostrahl-Sensor nach Anspruch 2, der außerdem einen Mantel (
37 ) umfasst, der über dem Mikrostrahl (36 ) auf dem Substrat ausgebildet ist. - Resonanter Mikrostrahl-Sensor nach Anspruch 3, wobei das Substrat (
67 ) infrarotes Licht durch den Mikrostrahl (36 ) emittiert und ein Signal bereitstellt, das die Frequenz des Mikrostrahls (36 ) in das erste Ende des ersten Glasfaserleiters (28 ) anzeigt, und der Mantel (37 ) transparent für infrarotes Licht ist und ein schwacher Schwarzkörperstrahler ist. - Resonanter Mikrostrahl-Sensor nach Anspruch 4, der außerdem einen Infrarotfilter (
42 ) umfasst, der am ersten Ende des ersten Glasfaserleiters (28 ) angeordnet ist. - Resonanter Mikrostrahl-Sensor nach Anspruch 5, wobei die Steuer/Messelektronik (
25 ) den Wert des gerade gemessenen Parameters anzeigt.
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