DE69833461T2 - Integrierter resonanter Mikrostruktur-Sensor für hohe Temperaturen - Google Patents

Integrierter resonanter Mikrostruktur-Sensor für hohe Temperaturen Download PDF

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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. Mikrostrahl 11 vibriert auf einer resonanten Frequenz seiner Struktur. Strahl 11 wird von Stützpfeilern 12 abgestützt, die ein Teil einer mikrobearbeiteten Silizium-basierten Vorrichtung 16 ist. Der Strahl 11 wird elektrostatisch durch eine kapazitative Platte 13 gesteuert, die in der Nähe des Strahlenzentrums angeordnet ist und den Strahl elektrostatisch dazu veranlasst, sich in Richtung auf einen Kondensator 13 oder von diesem weg zu beugen oder zu vibrieren. Das Messen der Frequenz von Strahl 11 erfolgt durch einen Piezowiderstand 14, der in Strahl 11 eingebettet ist. Eine Steuer/Messelektronik 25 stellt elektrische Signale an die kapazitative Platte 13 für die Steuerung von Strahl 11 bereit und empfängt elektronische Signale von Sensor 14, die verarbeitet werden, um die Frequenz von Strahl 11 anzuzeigen. Ein Nachteil eines Sensors 16 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 RIMS 17, dargestellt in 2, das ähnlich unzureichend für das Messen von Parametern in Umgebungen mit hohen Temperaturen ist. Das System 17 verfügt in gleicher Weise über einen resonanten Strahl 11, der von Stützpfeilern 12 abgestützt wird, die Teil einer mikromechanisch bearbeiteten integrierten Siliziumvorrichtung sind. Eine Leuchtdiode (LED) oder ein Laser 18 emittieren Licht 19 über Glasfaser 20 durch den Strahl 11 auf eine Photodiode 21, die unterhalb von Strahl 11 angeordnet ist. Wenn die Photodiode 21 Licht 19 empfängt, erzeugt sie eine elektrische Ladung, die dann den Strahl 11 elektrostatisch anzieht und ihn so dazu veranlasst, in seiner natürlichen Frequenz zu vibrieren. Licht 22 wird von der Photodiode 21 reflektiert und Strahl 11 wird über Faser 23 auf eine Photodiode 24 übertragen, die mit der Steuer/Messelektronik 25 verbunden ist. Die Elektronik 25 verarbeitet Lichtsignale 22 zur Bestimmung der tatsächlichen Vibrationsfrequenz des resonanten Strahls, wobei es sich um einen Vergleich der Signale 22 und um die Bestimmung der Schwebungsfrequenz zwischen den Signalen 22 handelt, die jeweils von Photodetektor 21 und Strahl 11 reflektiert werden, sowie zur Bestimmung und Bereitstellung eines geeigneten Steuersignals zur Aufrechterhaltung der Vibration des Strahls. Es ist dem System 17 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 und 8 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 Mikrostrahl 11 durch Stützpfeiler 12 abgestützt. Der Strahl 11 wird durch Steuerkondensator 13 kapazitativ gesteuert, welcher über einen elektrischen Leiter 31 mit der Steuer/Messelektronik 25 verbunden ist. Die Länge von Leiter 31 kann zwischen 5 Millimetern und 5 Kilometern liegen. Der Mikrostrahl 11 ist von einem Polysilikonmantel 26 abgedeckt und eingeschlossen. Außerdem sind auch Mikrostrahl 11 und Stützpfeiler 12 durch mikromechanische Bearbeitung aus Polysilikon gebildet und bilden zusammen eine integrierte Siliziumvorrichtung. Licht 27 wird von Faser 28 weiter durch den Mantel 26 und teilweise weiter durch Strahl 11 zum Kondensator 13 geleitet. Licht 27 wird von Strahl 11 und Kondensator 13 zurückt durch Mantel 26 in die Faser 28 reflektiert, die mit einem Photoelektronenvervielfacher 29 verbunden ist. Eine Schwebungsfrequenz des reflektierten Lichts 27 von Strahl 11 und Kondensator 13 zeigt die Vibrationsfrequenz von Strahl 11 an. Die elektrische Ausgabe von Photoelektronenvervielfacher 29 geht an die Steuer/Messelektronik 25 von System 10.
  • Der dielektrisch isolierte Steuerkondensator 13 arbeitet gut bei sehr hohen Temperaturen. Das optische Messen, bei dem Licht 27 von der Oberfläche von Strahl 11 und Kondensator 13 reflektiert wird, funktioniert ebenso gut bei sehr hohen Temperaturen. Die Grenzen dieses hybriden elektrisch/optischen RIMS-Sensors 10 werden deutlich, wenn die Temperatur erreicht ist, bei der das Polysilikon von Strahl 11 plastisch zu fließen beginnt. Dieser Zustand schränkt die mechanische Stabilität des Strahls bei Temperaturen über etwa 600 °C ein.
  • Die Steuer/Messelektronik 25 von System 10 stellt ein geeignetes Steuersignal zur Verfügung, um Strahl 11 in seiner natürlichen Frequenz vibrieren zu lasen. Die von Strahl 11 als Licht 27 über Faser 28 gemessenen Signale gehen an den Photoelektronenvervielfacher 29 weiter, der die Lichtsignale 27 in elektrische Signale an Elektronik 25 umwandelt, welche verarbeitet werden, um die tatsächliche Frequenz von Strahl 11 anzuzeigen. Die von Strahl 11 gemessenen Parameter werden anhand des Abstands zwischen den Stützpfeilern 12 gemessen, welcher den Strahl 11 entweder ausdehnt oder zusammenzieht, wodurch dessen Resonanzfrequenz beeinflusst wird, was als Anzeige für einen bestimmten Parameterwert dient.
  • 4 offenbart die Ausführungsform 30 eines elektrisch/optischen RIMS-Sensors für extrem hohe Temperaturen von 500 bis 1000 °C. Zwei wichtige Merkmale, welche die Temperaturleistungen des Systems 30 gegenüber denen des Systems 10 aus 3 erhöhen, sind die in der mikromechanisch bearbeiteten integrierten Vorrichtung benutzten Materialien. Beispielsweise ist der resonante Mikrostrahl 32 aus einem Metall wie z. B. Wolfram hergestellt. Mantel 33, das Substrat sowie die Stützpfeiler 12 sind aus Saphir (d.h. AI2O3) oder anderen Materialien hergestellt. Der resonante Mikrostrahl 32 wird über einen elektrischen Leiter 31, der ein Steuersignal von der Steuer/Messelektronik 25 trägt, durch Steuerkondensator 13 elektrostatisch gesteuert. Die Länge von Leiter 31 kann wieder zwischen 5 Millimetern und 5 Kilometern liegen, je nach den praktischen Bedingungen für den Aufbau von System 30. Eine bestimmte natürliche Frequenz von Strahl 32 hängt nach dessen Steuerung durch Kondensator 13 von dem Material und der Größe von Strahl 32 ab sowie davon, ob der Strahl 32 von den Stützpfeilern 12 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 Licht 34 von einer Glasfaser 28 aus durch Mantel 33 in Strahl 32 gelangen. Licht 35 wird dann von Strahl 32, Steuerkondensator 13 und/oder Mantel 33 zurück in die Glasfaser 28 auf den Photoelektronenvervielfacher oder die Diode 29 reflektiert. Bei Temperaturen von 600 °C oder darüber ist kein Licht 34 nötig, um Strahl 32 anzuleuchten, da die Temperatur des Strahls hoch genug ist, dass der Strahl 32 ein sehr guter Infrarotstrahler und also eine Quelle für Licht sein kann, das durch Mantel 33 weiter in Faser 28 geleitet wird. Mantel 33 ist teilweise reflektierend und teilweise transparent für infrarotes Licht ausgebildet. Licht 35 geht durch Infrarotfilter 54 und auf Photoelektronenvervielfacher oder Diode 29, um in elektrische Signale umgewandelt zu werden. Elektrische Signale von Vorrichtung 29 werden an die Steuer/Messelektronik geleitet 25, welche die Signale verarbeitet, um die Frequenz von Strahl 32 und so die von System 30 gemessenen Parameterwerte anzuzeigen. Das gemessene Signal ermöglicht es der Steuerelektronik 25, dem Steuerkondensator das geeignete Signal zur Verfügung zu stellen, um die Vibration von Strahl 32 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 System 40 ist, dass die gesamte Distanzkommunikation zwischen der Steuer/Messelektronik 25 und dem Mikrostrahl-Sensor 36 über Glasfasern 28 und 39 erfolgt. Dieser Faseraufbau kann auch bei dem Aufbau 10 und 30 aus 3 bzw. 4 benutzt werden.
  • Der Mantel 37 des Systems 40 ist ein schwacher Schwarzkörperstrahler und ist transparent für infrarotes Licht. Der Mikrostrahl 36 ist für infrarotes Licht teilweise reflektiv und teilweise transparent. Das Substrat ist ein guter Schwarzkörperstrahler. Die Steuer/Messelektronik 25 sendet ein Steuersignal über eine Leuchtdiode oder eine Laser-Lichtquelle in Form eines Lichtsignals durch die Glasfaser 39 aus, die mit der Photodiode 38 verbunden ist. Die Länge der Glasfaser 39 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 Photodiode 38 ist physikalisch nah am Sensor-Mikrostrahl 36 angeordnet, jedoch weit genug beabstandet, dass sie in einer Umgebung verbleibt, deren Temperatur unter 185 °C liegt. Der Leiter 31 überträgt ein elektrisches Steuersignal von der Photodiode 38 an Steuerkondensator 13, der den Mikrostrahl 36 elektrostatisch dazu veranlasst, in seiner natürlichen Frequenz zu vibrieren.
  • Eine Erfassung von Strahl 36 erfolgt durch infrarotes Licht vom Substrat als Schwarzkörperstrahler durch Strahl 36 und Mantel 37 hindurch. Licht 41 wird durch Infrarotfilter 42 gefiltert und tritt in die Glasfaser 28 ein, um zurück zum Photoelektronenvervielfacher 29 geleitet zu werden, wo das Messsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses elektrische Signal wird an die Steuer/Messelektronik 25 geleitet. Die Elektronik 25 verarbeitet das elektrische Signal von Photodetektor 29 zu einer Anzeige des Parameterwertes, der von Strahl 36 aufgrund seines Zusammenziehens oder Dehnens durch die Stützpfeiler 12 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 Paketeinrichtung 50 integriert ist. Auf einem Siliziumplättchen 43 sind ein mikromechanisch verarbeiteter Mikrostrahl 44 und ein Mantel 45 angeordnet, Das Siliziumplättchen 43 weist ein Röhrchen 46 aus Pyrex (oder einem anderen ähnlichen Material) auf, das daran Te-gebunden ist. Die Rückseite ist mit Al2O3 überzogen. Auf der anderen Seite des Siliziumplättchens 43 ist ein Pyrex-Röhrchen 47 angeordnet, das daran Tegebunden ist. Glasfaser 48 ist in die Öffnung des Pyrex-Röhrchens 47 eingeführt. Anschlüsse 49 sind an Vorrichtung 50 mit Drahtverbindungen 51 an Siliziumplättchen 43 angebracht. Die Drahtverbindungen 51 sind letztlich mit Steuerkondensator 13 verbunden, der im Siliziumplättchen 43 benachbart zu Mikrostrahl 44 angeordnet ist, welcher von den Stützpfeilern 12 abgestützt wird. Die zu messenden Parameter wie z. B. Druck werden über Röhrchen 46 gemessen und beeinflussen Siliziumplättchen 43 durch Biegen desselben, was wiederum von Mikrostrahl 44 in Form eines Zusammenziehens oder Ausdehnens gemessen wird, was die natürliche Frequenz von Strahl 44 beeinflusst. Strahl 44 wird elektrostatisch von Kondensator 13 gesteuert, der Steuersignale über Drähte 49 und Drahtverbindungen 51 von der externen Elektronik 25. Licht zum Messen der natürlichen Frequenz von Strahl 44 kann über die Glasfaser 48 eingebracht werden, oder das Siliziumplättchen 43 kann eine solche Quelle für Licht zum Messen sein. Das erfasste Licht wird von Strahl 44 durch die Glasfaser 48 an die Steuer/Messelektronik 25 geschickt. Die Drähte 49 für den Steuerkondensator 13 können mit der Steuer/Messelektronik 25 verbunden sein oder können über eine Photodiode 38 und eine Glasfaser 39 mit der Steuer/Messelektronik 25 verbunden sein, wie es anhand des Beispiels in 5 gezeigt ist. Verschiedene Ausnehmungen an Röhrchen 47 in der Nähe von Plättchen 43 könne mit Hochtemperaturzement 52 gefüllt sein. Eine flexible Verkleidung 53 umgibt für Montagezwecke und/oder aus umwelttechnischen Gründen den gesamten Aufbau von Apparat 50. Die Vorrichtung 50 ist ein Aufbau, der wahrscheinlich zum Druckmessen benutzt wird.
  • 7 zeigt den bimorphen Blattfeder-RIM-Mikrostrahl-Sensor 55. An einer Silizium-Blattfeder 56 ist ein magnetostriktiver Film 57 angeordnet. Jede Veränderung der Ausdehnung des magnetostritkiven Films aufgrund einer Parametermessung wie der eines Magnetfeldes beeinflusst die Silizium-Blattfeder 56, indem sie in die eine oder die andere Richtung gebogen wird, so dass die Stützpfeiler 12 den Strahl 58 dazu veranlassen, sich als Resultat der Messung des Parameters durch Film 57 entweder zusammenzuziehen oder zu dehnen. Die natürliche Frequenz von Strahl 58 wird in den verschiedenen Arten gemäß 3 bis 5 gemessen, wie oben beschrieben. Ein Vakuummantel 59 ist über dem RIMS-Strahl 58 ausgebildet. Der Film 57 kann aus anderen Substanzen hergestellt sein, die sensibel auf Temperatur, Feuchtigkeit und/oder flüchtige organische Verbindungen reagieren.
  • 8 offenbart einen Mantel-gekoppelten bimorphen Aufbau 60 eines Sensors, in den die vorliegende Erfindung integriert ist. Siliziumsubstrat 61 stützt den Vakuummantel 62 ab. Auf dem Vakuummantel 62 sind Stützpfeiler 12 ausgebildet, die den RIMS-Strahl 63 abstützen. Auf der anderen Seite des Vakuummantels 62 ist ein magnetostriktiver Film 64 ausgebildet, dessen Ausdehnung in relativer Abhängigkeit zu einem bestimmten gemessenen Parameter wie z. B. einem Magnetfeld steht. Diese Veränderung der Ausdehnung von Film 64 verformt den Mantel 62, wodurch wiederum über die Stützpfeiler 12 der Strahl 63 entweder zusammengezogen oder ausgedehnt wird, was die natürliche Frequenz von Strahl 63 beeinflusst. Der Film 64 kann aus anderen Substanzen hergestellt sein, die sensibel auf Temperatur, Feuchtigkeit und/oder flüchtige organische Verbindungen reagieren. Der Strahl 63 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)

  1. 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.
  2. 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.
  3. Resonanter Mikrostrahl-Sensor nach Anspruch 2, der außerdem einen Mantel (37) umfasst, der über dem Mikrostrahl (36) auf dem Substrat ausgebildet ist.
  4. 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.
  5. Resonanter Mikrostrahl-Sensor nach Anspruch 4, der außerdem einen Infrarotfilter (42) umfasst, der am ersten Ende des ersten Glasfaserleiters (28) angeordnet ist.
  6. Resonanter Mikrostrahl-Sensor nach Anspruch 5, wobei die Steuer/Messelektronik (25) den Wert des gerade gemessenen Parameters anzeigt.
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US08/999,165 US6031944A (en) 1997-12-30 1997-12-30 High temperature resonant integrated microstructure sensor
US999165 1997-12-30

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DE69833461D1 DE69833461D1 (de) 2006-04-20
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* 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
US7152478B2 (en) * 2000-07-20 2006-12-26 Entegris, Inc. Sensor usable in ultra pure and highly corrosive environments
US6612175B1 (en) 2000-07-20 2003-09-02 Nt International, 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
US7379629B1 (en) * 2004-12-12 2008-05-27 Burns David W Optically coupled resonant pressure sensor
US7605391B2 (en) * 2004-12-12 2009-10-20 Burns David W Optically coupled resonator
US7443509B1 (en) 2004-12-12 2008-10-28 Burns David W Optical and electronic interface for optically coupled resonators
US7176048B1 (en) 2004-12-12 2007-02-13 Burns David W Optically coupled sealed-cavity resonator and process
US7499604B1 (en) 2004-12-12 2009-03-03 Burns David W Optically coupled resonant pressure sensor and process
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

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