RU2522760C2

RU2522760C2 - Anemometric transducer

Info

Publication number: RU2522760C2
Application number: RU2012128676/28A
Authority: RU
Inventors: Марат Хаджи-Муратович Абдуев; Николай Алексеевич Дюжев; Владимир Александрович Беспалов; Александр Анатольевич Бобров; Игорь Михайлович Зарубин; Максим Александрович Махиборода
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Зеленоградский нанотехнологический центр"
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2014-07-20
Also published as: RU2012128676A

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to micro sensors, particularly, to microelectromechanical systems (MEMS) for measurements of fluid and gas flows by MEMS-thermal anemometer. Proposed transducer comprises sensor composed by sensor consisting of two and more flexible lugs exposed to controlled flow. Said sensor and its electric contacts is made from piezoelectric material and acts as oscillation transducer. Besides, flexible lugs feature different lengths. Separate definite-length contact is brought to sensor of every lug. Said definite length corresponds to definite dynamic range of flow measurement while define lugs work subject to flow force: Longer contacts register low flows while shorter record high flow owing to different frequencies of intrinsic oscillations.

EFFECT: simplified design, smaller sizes.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения потоков жидкостей и газов - МЭМС-термоанемометрам.The invention relates to the field of microsensors, namely to microelectromechanical systems (MEMS) for measuring flows of liquids and gases - MEMS thermoanemometers.

Известен термоанемометр, содержащий помещенный в поток нагреваемый элемент, и средство для регистрации его температуры: о величине потока судят по теплоотводу от этого элемента (по установившейся температуре при постоянном теплоподводе или по величине теплоподвода, необходимого для поддержания постоянной температуры) /1/.A known hot-wire anemometer containing a heated element placed in a stream and a means for recording its temperature: the magnitude of the flow is judged by the heat sink from this element (by the steady-state temperature with constant heat supply or by the amount of heat supply necessary to maintain a constant temperature) / 1 /.

Известен и широко распространен термоанемометр, содержащий нагревательный элемент, помещаемый в измеряемый поток, и чувствительный к теплу элемент, установленный в том же потоке в заданном положении относительно нагревательного элемента: поток определяют при этом по интенсивности теплопереноса /2/. Оба типа приведенных термоанемометров известны и в микроисполнении: они содержат нагреваемые током слои-полоски, нанесенные на поверхность подложки или тонкой мембраны, а также содержат термочувствительные слои-термосопротивления, нагреваемые теплом, переносимым измеряемым потоком от полосок, нагреваемых током.Known and widespread hot-wire anemometer containing a heating element placed in the measured stream, and a heat-sensitive element installed in the same stream in a predetermined position relative to the heating element: the flow is determined by the intensity of heat transfer / 2 /. Both types of the given hot-wire anemometers are also known in micro-execution: they contain current-heated layers-strips deposited on the surface of a substrate or a thin membrane, and also contain heat-sensitive layers-thermoresistance, heated by heat transferred by the measured flow from strips heated by current.

Недостатком этих анемометров является необходимость затрачивать энергию на питание нагревателя, как при наличии измеряемого потока, так и в его отсутствие.The disadvantage of these anemometers is the need to spend energy on powering the heater, both in the presence of a measured stream and in its absence.

Известен анемометр, содержащий чувствительный элемент в виде цилиндра-паруса, передающего усилие на гибкий стержень с тензодатчиками /3/. Он безразличен к температуре потока, а энергопотребление его ограничено потреблением датчиков.Known anemometer containing a sensing element in the form of a cylinder-sail, transmitting force to a flexible rod with strain gauges / 3 /. It is indifferent to the flow temperature, and its power consumption is limited by the consumption of sensors.

Недостатками его являются низкая чувствительность, особенно в области малых потоков, а также сложность и громоздкость.Its disadvantages are low sensitivity, especially in the field of small flows, as well as complexity and bulkiness.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является микроэлектромеханический сенсор потока, содержащий подвешенный чувствительный элемент, усилия с которого преобразуются пьезодатчиками /4/.The closest analogue of the invention is a microelectromechanical flow sensor containing a suspended sensing element, the forces from which are transformed by piezoelectric sensors / 4 /.

Недостатками его являются сложность изготовления, а также низкая чувствительность, связанная с регистрацией лишь касательных сил, действующих на чувствительный элемент со стороны потока.Its disadvantages are the complexity of manufacturing, as well as low sensitivity associated with the registration of only the tangential forces acting on the sensitive element from the flow side.

Задачей предлагаемого изобретения является создание простого в изготовлении анемометрического датчика с низким расходом энергии и малыми размерами, способного определять наличие потока.The task of the invention is to provide an anemometric sensor, easy to manufacture, with low energy consumption and small size, capable of detecting the presence of flow.

Указанная задача решается тем, что анемометрический датчик содержит чувствительный элемент, выполненный в виде двух и более открытых контролируемому потоку упругих лепестков. Сам чувствительный элемент с электрическими контактами к нему выполнен из пьезоэлектрического материала и выполняет функцию датчика колебаний. Также упругие лепестки имеют разные длины. К чувствительному элементу каждого лепестка соответствующей определенной длины подводится отдельный контакт. Каждой длине соответствует свой динамический. диапазон измерения потока и в зависимости от силы потока функционируют определенные лепестки: более длинные регистрируют малые потоки, более короткие - большие за счет разных частот собственных колебаний.This problem is solved by the fact that the anemometric sensor contains a sensitive element made in the form of two or more elastic petals open to a controlled flow. The sensitive element with electrical contacts to it is made of a piezoelectric material and acts as a vibration sensor. Elastic petals also have different lengths. A separate contact is applied to the sensitive element of each petal of a corresponding defined length. Each length has its own dynamic. the measurement range of the flow and depending on the strength of the flow, certain lobes function: longer ones record small flows, shorter ones record large flows due to different frequencies of natural vibrations.

В качестве датчика может использоваться тензодатчик, сформированный на поверхности лепестков.As a sensor, a strain gauge formed on the surface of the petals can be used.

Чувствительный элемент используется как тензорезистор.The sensing element is used as a strain gauge.

Чувствительный элемент используется как пьезоэлектрический датчик, выполненный в виде покрытия из пьезоэлектрического материала на поверхности лепестков.The sensitive element is used as a piezoelectric sensor, made in the form of a coating of piezoelectric material on the surface of the petals.

Чувствительный элемент используется как емкостный датчик.The sensor is used as a capacitive sensor.

Чувствительный элемент используется как оптический датчик.The sensing element is used as an optical sensor.

В отличие от рассматриваемого прототипа за счет того, что сам лепесток является чувствительным элементом, упрощается технологический маршрут изготовления сенсора, а за счет разных длин лепестков регистрируется больший диапазон измерения скоростей потока.In contrast to the prototype under consideration, due to the fact that the petal itself is a sensitive element, the technological route of manufacturing the sensor is simplified, and due to different lengths of the petals, a larger range of measurement of flow velocities is recorded.

Поток воздуха может быть направлен как нормально, так и касательно плоскости лепестка.The air flow can be directed both normally and with respect to the plane of the lobe.

Выходные контакты с сенсора подключены в мостовую схему, снабженную усилителем.The output contacts from the sensor are connected to a bridge circuit equipped with an amplifier.

На фиг.1 представлен чертеж кристалла анемометрического датчика, где стрелкой обозначено направление потока газа, 1 - массив из упругих лепестков, 2 - вытравленный колодец С-С - разрез функциональной части кристалла.Figure 1 shows a drawing of a crystal of an anemometric sensor, where the arrow indicates the direction of gas flow, 1 - an array of elastic petals, 2 - etched well CC - section of the functional part of the crystal.

Принцип работы предлагаемого анемометрического датчика заключается в том, что при помещении его в измеряемый поток его лепестки, благодаря своей гибкости, начинают колебаться, и эти колебания регистрируются с помощью датчика колебаний.The principle of operation of the proposed anemometric sensor is that when it is placed in the measured flow, its petals, due to their flexibility, begin to oscillate, and these oscillations are recorded using the oscillation sensor.

Примером конкретного исполнения может служить анемометрический датчик, выполненный в подложке из кремния толщиной 460 мкм путем создания, с помощью травления, мембраны толщиной 2 мкм, имеющей в плане вид прямоугольной трапеции высотой 0,1 мм и с основаниями 0,5 мм и 0,1 мм, и последующего формирования из этой мембраны шести лепестков шириной 10 мкм, толщиной 2 мкм и с разными длинами от 50 мкм до 450 мкм. Пьезоэлектрический слой датчика выполнен в виде пленки ZnO толщиной 0,5 мкм, нанесенной на поверхность лепестков и на подложку у их оснований. Роль проводящих слоев (контактов) пьезоэлектрического датчика выполняют кремниевые лепестки и подложка - с одной стороны - и слой Аl толщиной 0,2 мкм, нанесенный на поверхность пьезоэлектрика - с другой.An example of a specific implementation is an anemometric sensor made in a silicon substrate of 460 μm thick by creating, using etching, a 2 μm thick membrane having a plan view of a rectangular trapezoid with a height of 0.1 mm and with bases 0.5 mm and 0.1 mm, and the subsequent formation of six lobes from this membrane with a width of 10 μm, a thickness of 2 μm and with different lengths from 50 μm to 450 μm. The piezoelectric layer of the sensor is made in the form of a 0.5 μm thick ZnO film deposited on the surface of the petals and on the substrate at their bases. The role of the conducting layers (contacts) of the piezoelectric sensor is performed by silicon petals and the substrate, on the one hand, and an Al layer 0.2 μm thick deposited on the surface of the piezoelectric, on the other.

Предлагаемый анемометрический датчик может быть использован как самостоятельный анемометр или в качестве датчика наличия потока. В последнем случае он может быть использован для включения-отключения более точных, но неэкономичных, термоанемометров в зависимости от наличия или отсутствия потока. При этом технология его изготовления легко совместима с технологией изготовления термоанемометров, формируемых на мембранах, и они легко интегрируемы в одном кристалле.The proposed anemometric sensor can be used as a standalone anemometer or as a sensor for the presence of flow. In the latter case, it can be used to turn on / off more accurate, but uneconomical, hot-wire anemometers, depending on the presence or absence of flow. Moreover, its manufacturing technology is easily compatible with the manufacturing technology of hot-wire anemometers formed on membranes, and they are easily integrated into a single crystal.

При использовании в качестве самостоятельного анемометра используют тот факт, что величина сигнала (первично с прогиба лепестка) от датчиков зависит от скорости потока, а дополнительная информация о потоке содержится в частотном спектре сигнала.When used as an independent anemometer, they use the fact that the signal value (primarily from the deflection of the lobe) depends on the sensors on the flow rate, and additional information about the flow is contained in the frequency spectrum of the signal.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Патент США 3992940.1. US patent 3992940.

2. Патент США 6527835.2. US patent 6527835.

3. Патент США 4478076.3. US patent 4478076.

4. Патент США 6966231 - прототип.4. US patent 6966231 - prototype.

Claims

1. Anemometric sensor containing a sensing element, made in the form of two or more open to a controlled flow of elastic piezoelectric oscillating petals, characterized in that the sensitive element of the anemometric sensor can serve as a set of two or more petals with different lengths, with the same thickness.

2. Anemometric sensor according to claim 1, characterized in that the sensitive element is used as a strain gauge, or a piezoelectric sensor made in the form of a coating of piezoelectric material on the surface of the petals, or a capacitive sensor, or an optical sensor.