DE69839024T2 - Integrierter resonanter Mikrostruktur-Sensor für hohe Temperaturen - Google Patents

Integrierter resonanter Mikrostruktur-Sensor für hohe Temperaturen Download PDF

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Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung betrifft resonante integrierte Mikrostruktur(RIM)-Sensoren und insbesondere resonante integrierte Mikrobalkensensoren für hohe Temperaturen.
  • Ein elektrischer RIMS-Sensor ist in 1 gezeigt. Der Mikrobalken 11 schwingt mit einer Resonanzfrequenz seiner Struktur. Der Balken 11 wird durch Pfosten 12 gestützt, die ein Teil eines mikromaschinell hergestellten Bauelements 16 auf Siliziumbasis sind. Der Balken 11 wird elektrostatisch durch eine kapazitive Platte 13 angetrieben, die sich nahe der Mitte des Balkens befindet und auf elektrostatische Weise bewirkt, dass der Balken sich in einer Richtung zu dem Kondensator 13 hin und von dem Kondensator 13 weg durchbiegt oder schwingt. Das Detektieren der Frequenz des Balkens 11 erfolgt mittels eines Piezowiderstandes 14, der in den Balken 11 eingebettet ist. Eine Ansteuer-/Detektionselektronik 25 gibt elektrische Signale an die kapazitive Platte 13 aus, um den Balken 11 anzutreiben, und empfängt elektronische Signale von dem Sensor 14, die so verarbeitet werden, dass sie die Frequenz des Balkens 11 anzeigen. Ein Nachteil eines Sensors 16 ist, dass er bei Temperaturen oberhalb 200 Grad Celsius (°C) nicht gut funktionieren kann. Zum Beispiel fallen Piezowiderstandssensoren schon bei Temperaturen von weniger als 250°C aus.
  • Außer dem elektrischen RIMS-System 16 gibt es noch ein optisches RIMS 17, das für das Detektieren von Parametern in Hochtemperaturumgebungen ähnlich ungeeignet sind. Gleichermaßen weist das System 17 einen resonanten Balken 11 auf, der durch Stützen 12 gehalten wird, die einen Teil eines mikromaschinell herge stellten integrierten Silizium-Bauelements bilden. Eine Leuchtdiode (LED) oder ein Laser 18 emittiert Licht 19 über eine optische Faser 20 durch den Balken 11 hindurch auf eine Fotodiode 21, die unter dem Balken 11 angeordnet ist. Wenn die Fotodiode 21 Licht 19 empfängt, so erzeugt sie eine elektrische Ladung, die dann den Balken 11 elektrostatisch anzieht, wodurch dieser veranlasst wird, mit seiner Eigenfrequenz zu schwingen. Das Licht 22 wird von der Fotodiode 21 und dem Balken 11 zurückgeworfen und wird über die Faser 23 zu einer Fotodiode 24 übertragen, die mit der Ansteuer-/Detektionselektronik 25 verbunden ist. Die Elektronik 25 verarbeitet Lichtsignale 22 zum Bestimmen der tatsächlichen Schwingungsfrequenz des resonanten Balkens, was einen Vergleich von Signalen 22 und eine Bestimmung der Schwebungsfrequenz zwischen Signalen 22, die von dem Photodetektor 21 bzw. dem Balken 11 zurückgeworfen werden, darstellt, und ebenso zum Bestimmen und Ausgeben eines entsprechenden Ansteuersignals zum Beibehalten der Schwingung des Balkens. Dieses System 17 ist gleichermaßen nicht in der Lage, in Hochtemperaturumgebungen zu funktionieren. Zum Beispiel fallen Fotodioden schon bei Temperaturen von weniger als 250°C aus.
  • Die europäische Patentspezifikation Nr. 0 451 992 offenbart einen resonanten Mikrobalkensensor für hohe Temperaturen und einen Antriebskondensator zum elektrostatischen Antreiben der resonanten Balkens, so dass er schwingt.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen Sensor nach Anspruch 1 bereit.
  • Der Sensor kann die Merkmale nach einem oder mehreren der abhängigen Ansprüche 2 bis 8 enthalten.
  • Die vorliegende Erfindung arbeitet weder mit piezoelektrischer Detektion noch mit einem Fotodiodenantrieb wie in den oben angesprochenen elektrischen bzw. optischen RIMS-Sensoren.
  • Die Erfindung kann in verschiedenen Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel Strahltriebwerken, tiefen (geothermisch erwärmten) Brunnen und Prozesssteuerungen. Der für hohe Temperaturen geeignete, nach dem RIMS-Standard konfigurierte Sensor kann für Verformungsverschiebungen mit einer Empfindlichkeit von etwa fünfzig Picostrain und einer Verschiebungsempfindlichkeit von bis zu ungefähr einem Zehntausendstel Ångström verwendet werden. Die Erfindung kann als ein Drucksensor zur differenziellen, absoluten oder Messgeräte-Detektion von Strömungsniveaus und/oder akustischen Parametern verwendet werden. Die Empfindlichkeit und Genauigkeit eines solchen Drucksensors kann bis zu zwei Teile in einer Million Teile (ppm) der Spanne der Druckmessung betragen. Eine freitragende Version des Mikrobalkensensors für hohe Temperaturen kann für Kraft-, Gewichts- und/oder Drehmomentmessungen verwendet werden. Die RIMS-Konfiguration für hohe Temperaturen kann als ein Beschleunigungsmessgerät zum Detektieren der Beschleunigung, der Neigung (des Kippens) und von Schwingungen (Spektralrauschen) verwendet werden. Die Beschleunigungsmessgerät-Version hat eine Empfindlichkeit und Stabilität nahe Mikro-g. Der Sensor kann auch eine Fotodiode aufweisen. Er kann ein Sensortyp sein, der zum Messen von Licht oder zum Durchführen von Spektral- und/oder chemischen Analysen verwendet wird. Mit optischen Schmalbandpassfiltern (einschließlich Ultraviolett- und Infrarotfiltern) und einer Anordnung von Detektoren auf RIMS-Basis kann eine große Bandbreite an chemischen Analysen durchgeführt werden. Oft können Techniken in Verbindung mit der Elektronik verwendet werden, um die Empfindlichkeit noch weiter zu erhöhen. Die RIMS-Sensor-Konfiguration mit elektrischem Antrieb und optischer Detektion kann bei ultra-hohen Temperaturen (etwa 600°C) für alle oben angesprochenen Arten von Messungen verwendet werden. In den Hochtemperatursensoren wird Metall für den Balken und Saphir für die Chip- und Balkenummantelung verwendet. Eine optische Faser wird nahe an den Sensor herangeführt, um sowohl den Balken kapazitiv anzutreiben als auch die Eigenfrequenz des Balkens zu detektieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt einen elektrischen RIMS-Sensor.
  • 2 zeigt einen optischen RIMS-Sensor.
  • 3 offenbart einen elektrisch-optischen hybriden RIMS-Sensor für Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen.
  • 4 offenbart einen elektrisch-optischen hybriden RIMS-Sensor der vorliegenden Erfindung für Umgebungen mit ultrahohen Temperaturen.
  • 5 offenbart einen optischen RIMS-Sensor für Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Wie in 3 dargestellt, wird der resonante Mikrobalken 11 durch Pfosten 12 getragen. Der Balken 11 wird elektrostatisch durch einen Treiberkondensator 13 angetrieben, der über einen elektrischen Leiter 31 mit einer Ansteuer-/Detektionselektronik 25 verbunden ist. Die Länge des Leiters 31 kann von 5 Millimetern bis 5 Kilometern variieren. Der Mikrobalken 11 wird durch eine Polysilizium-Ummantelung 26 bedeckt und verkapselt. Nebenbei bemerkt, sind der Mikrobalken 11 und die Pfosten 12 ebenfalls mikromaschinell aus Polysilizium hergestellt, die zusammen ein integriertes Silizium-Bauelement bilden. Licht 27 wird von der Faser 28 weiter durch die Ummantelung 26 und teilweise weiter durch Balken 11 zu dem Kondensator 13 übertragen. Licht 27 wird von dem Balken 11 und dem Kondensator 13 zurück durch die Ummantelung 26 weiter in die Faser 28 reflektiert, die mit einem Fotovervielfacher 29 verbunden. Eine Schwebungsfrequenz von reflektiertem Licht 27 von dem Balken 11 und dem Kondensator 13 zeigt die Frequenz der Schwingung des Balkens 11 an. Das elektrische Ausgangssignal von dem Fotovervielfacher 29 wird in die Ansteuer-/Detektionselektronik 25 des Systems 10 eingespeist.
  • Der dielektrisch isolierte Treiberkondensator 13 funktioniert gut bei sehr hohen Temperaturen. Gleichermaßen funktioniert das optische Detektieren, das die Reflexion von Licht 27 von den Oberflächen des Balkens 11 und des Kondensators 13 beinhaltet, gut bei sehr hohen Temperaturen. Die Beschränkungen dieses hybriden elektrisch-optischen RIMS-Sensors 10 werden offenbar, wenn die plastische Kriechtemperatur des Polysiliziums des Balkens 11 erreicht wird. Ein solcher Zustand schränkt die mechanische Stabilität des Balkens bei Temperaturen von oberhalb ungefähr 600°C ein.
  • Die Ansteuer-/Detektionselektronik 25 des Systems 10 gibt ein entsprechendes Ansteuersignal aus, um den Balken 11 mit seiner Eigenfrequenz in Schwingung zu versetzen. Signale werden von dem Balken 11 kommend detektiert, wenn Licht 27 über die Faser 28 in den Fotovervielfacher 29 geleitet wird, der die Licht 27-Signale in elektrische Signale umwandelt, die in die Elektronik 25 eingespeist werden, wo sie so verarbeitet werden, dass sie die tatsächliche Frequenz des Balkens 11 anzeigen. Die durch den Balken 11 gemessenen Parameter werden über die Entfernung zwischen den Pfosten 12 hinweg detektiert, die den Balken 11 entweder dehnen oder zusammenziehen, wodurch seine Resonanzfrequenz beeinflusst wird, was einen Hinweis auf einen bestimmten Parameterwert gibt.
  • 4 offenbart eine Ausführungsform 30 eines elektrisch-optischen RIMS-Sensors für ultra-hohe Temperaturen von 500–1000°C gemäß der vorliegenden Erfindung. Zwei signifikante Merkmale, welche die Wärmewiderstandsfähigkeit des Systems 30 im Vergleich zum System 10 von 3 erhöhen, sind die Materialien, die in dem mikromaschinell hergestellten integrierten Bauelement verwendet werden. Zum Beispiel besteht der resonante Mikrobalken 32 aus einem Metall wie zum Beispiel Wolfram. Die Ummantelung 33, das Substrat und die Pfosten 12 bestehen aus Saphir (d. h. Al2O3) oder anderen ähnlichen Materialien. Der resonante Mikrobalken 32 wird elektrostatisch durch den Treiberkondensator 13 über einen elektrischen Leiter 31 angetrieben, der ein Ansteuersignal von der Ansteuer-/Detektionselektronik 25 transportiert. Die Länge des Leiters 31 kann auch hier je nach den Besonderheiten der Anordnung des Systems 30 von 5 Millimeter bis 5 Kilometer variieren. Eine bestimmte Eigenfrequenz des Balkens 32, nachdem er durch den Kondensator 13 angetrieben wurde, hängt von dem Material und den Abmessungen des Balkens 32 ab, und ob der Balken 32 durch die Pfosten 12 entsprechend dem Parameter, der durch das Bauelement gemessen wird, auf dem sich der RIMS- und Kappensensor befindet, zusammengezogen oder gedehnt wird.
  • Um die Eigenfrequenz des Balkens 32 zu detektieren, kann ein Licht 34 von der optischen Faser 28 kommend durch Ummantelung 33 in den Balken 32 hinein geleitet werden. Das Licht 35 wird dann von dem Balken 32, dem Treiberkondensator 13 und/oder der Ummantelung 33 kommend in die optische Faser 28 zurück auf den Fotovervielfacher oder die Diode 29 reflektiert. Bei Temperaturen von 600°C und darüber wird kein Licht 34 benötigt, um den Balken 32 zu beleuchten, da der Balken eine Temperatur aufweist, die hoch genug ist, damit der Balken einen ausgezeichneten Infrarot-Emitter darstellt und damit eine Quelle von Licht ist, das durch die Ummantelung 33 hindurch weiter in die Faser 28 geleitet wird. Die Ummantelung 33 ist für Infrarot-Licht teilweise reflektierend und teilweise transparent. Das Licht 35 verläuft durch das Infrarotfilter 33 und auf den Fotovervielfacher oder die Diode 29, um in elektrische Signale umgewandelt zu werden. Die elektrischen Signale von dem Bauelement 29 werden an die Ansteuer-/Detektionselektronik 25 weitergeleitet, welche die Signale so verarbeitet, dass sie die Frequenz des Balkens 32 und dadurch wiederum den Parameterwert anzeigen, den das System 30 detektiert. Das detektierte Signal ermöglicht es der Ansteuerelektronik 25, das entsprechende Signal an den Treiberkondensator zu senden, um den Balken 32 auf einer Schwingung bei seiner Eigenfrequenz zu halten.
  • 5 offenbart ein quasi komplett-optisches RIMS-Sensorsystem 40 für Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen, das die vorliegende Erfindung verkörpert. Das Merkmal von System 40 ist, dass alle Fernkommunikation zwischen der Ansteuer-/Detektionselektronik 25 und dem Mikrobalkensensor 36 über optische Fasern 28 und 39 erfolgt. Diese Faserkonfiguration kann auch in der Konfiguration 30 von 4 verwendet werden.
  • Die Ummantelung 37 des Systems 40 ist ein schlechter Schwarzkörperemitter und ist für Infrarot-Licht transparent. Der Mikrobalken 36 ist für Infrarot-Licht teilweise reflektierend und teilweise transparent. Das Substrat ist ein guter Schwarzkörperemitter. Die Ansteuer-/Detektionselektronik 25 sendet ein Ansteuersignal über eine LED- oder Laserlichtquelle in Form eines Lichtsignals durch die optische Faser 39 aus, die mit der Fotodiode 38 verbunden ist. Die Länge der optischen Faser 39 kann von 5 Millimeter bis 5 Kilometer variieren. Der Vorteil des Verwendens der optischen Faser über lange Entfernungen ist die Vermeidung von Problemen mit dem Signal-Rausch-Verhältnis, zu denen es mit Bezug auf eine Übertragung von elektrischen Signalen über lange Leiter kommt. Die Fotodiode 38 befindet sich physisch nahe dem Sensor-Mikrobalken 36, ist aber weit genug entfernt, um in einer Umgebung zu bleiben, die eine Temperatur von vorzugsweise weniger als 185°C aufweist. Der Leiter 31 transportiert das elektrische Ansteuersignal von der Fotodiode 38 zum Treiberkondensator 13, der den Mikrobalken 36 elektrostatisch in Schwingung mit seiner Eigenfrequenz versetzt.
  • Die Detektion des Balkens 36 geschieht mit Infrarot-Licht von dem Substrat als einem Schwarzkörperemitter durch den Balken 36 und die Ummantelung 37 hindurch. Licht 41 wird durch das Infrarotfilter 42 gefiltert und tritt in die optische Faser 28 ein, um zu dem Fotovervielfacher oder der Diode 29 zurückgekoppelt werden, wo das Detektionssignal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses elektrische Signal wird zur Ansteuer-/Detektionselektronik 25 gesendet. Die Elektronik 25 verarbeitet das elektrische Signal von dem Photodetektor 29 zu einer Anzeige der Eigenresonanzfrequenz, die ihrerseits zu einem Parameterwert umgewandelt wird, der durch den Mikrobalken 36 infolge seines Zusammenziehens oder Dehnens durch die Pfosten 12 gemessen wird, die einen Teil des mikromaschinell hergestellten integrierten Bauelements bilden, das einen Teil einer Vorrichtung bildet, die an der Parameterdetektion beteiligt ist.

Claims (8)

  1. Resonanter Ultrahochtemperatur-Mikrobalkensensor, der Folgendes aufweist: einen Mikrobalken (32), der auf einem Substrat (67) angeordnet ist, das aus Saphir oder einem ähnlichen Material besteht; einen Treiberkondensator (18), der in dem Substrat (67) in der Nähe des Mikrobalkens (32) angeordnet ist; und eine optische Faser (28) mit einem ersten Ende in der Nähe des Mikrobalkens (32); wobei: der Mikrobalken (32) aus Metall besteht; der resonante Mikrobalkensensor (30, 40) in einer Umgebung mit ultrahohen Temperaturen arbeitet und eine ultrahohe Temperatur zwischen 500 und 1000°C liegt.
  2. Mikrobalkensensor nach Anspruch 1, wobei: das Substrat (67) erst bei einer Temperatur von über 1000°C ein plastisches Kriechverhalten aufweist; und der Mikrobalken (32) bei Temperaturen von über 600°C als ein Infrarot-Emitter fungiert.
  3. Mikrobalkensensor nach Anspruch 2, wobei: die Eigenfrequenz des Mikrobalkens (32) durch einen gemessenen Parameter beeinflusst wird; und die optische Faser (28) zum Empfangen von Licht von dem Mikrobalken (32) dient.
  4. Mikrobalkensensor nach Anspruch 3, wobei: die optische Faser (28) mit einem Photodetektor (29) in einer Umgebung mit Temperaturen unter etwa 250°C verbunden ist; ein elektrischer Leiter (31) mit einer Ansteuer-/Detektionselektronik (25) verbunden ist; und der Photodetektor (29) mit der Ansteuer-/Detektionselektronik (25) verbunden ist.
  5. Mikrobalkensensor nach Anspruch 4, wobei: Licht von dem Mikrobalken (32) durch den Photodetektor (29) in elektrische Signale umgewandelt wird; und die elektrischen Signale durch die Ansteuer-/Detektionselektronik (25) zu einer Anzeige der Frequenz des Mikrobalkens (32) verarbeitet werden, die einer Parametermessung entspricht.
  6. Mikrobalkensensor nach Anspruch 5, der des Weiteren ein Infrarotfilter (54) aufweist, das zwischen der optischen Faser (28) und dem Photodetektor (29) angeordnet ist.
  7. Mikrobalkensensor nach Anspruch 6, der des Weiteren eine Ummantelung (33) aufweist, die über dem Mikrobalken (32) auf dem Substrat (67) ausgebildet ist, wobei das Substrat (67) und die Ummantelung (33) aus Saphir oder einem ähnlichen Material hergestellt sind.
  8. Mikrobalkensensor nach Anspruch 7, wobei: der Mikrobalken (32) aus Wolfram besteht; das Substrat (63) aus Al2O3 besteht; und die Ummantelung (33) aus Al2O3 besteht.
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