RU2548404C1 - Method to measure difference of pressures by sensor with frequency modulated output signal and sensor for realisation of method - Google Patents

Method to measure difference of pressures by sensor with frequency modulated output signal and sensor for realisation of method Download PDF

Info

Publication number
RU2548404C1
RU2548404C1 RU2013147847/28A RU2013147847A RU2548404C1 RU 2548404 C1 RU2548404 C1 RU 2548404C1 RU 2013147847/28 A RU2013147847/28 A RU 2013147847/28A RU 2013147847 A RU2013147847 A RU 2013147847A RU 2548404 C1 RU2548404 C1 RU 2548404C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
output signal
resonators
modulated output
frequency
Prior art date
Application number
RU2013147847/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013147847A (en
Inventor
Антон Владимирович Бардин
Олег Михайлович Филонов
Николай Павлович Меткин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения"
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения"
Priority to RU2013147847/28A priority Critical patent/RU2548404C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2548404C1 publication Critical patent/RU2548404C1/en
Publication of RU2013147847A publication Critical patent/RU2013147847A/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to instrument making, may be used independently or within measurement and computing complexes and control systems. The method to measure difference of pressures by a sensor with a frequency-modulated output signal consists in the fact that they use two identical membranes with resonators grown on them epitaxially, separated by a vacuumised gap. A sensor for measurement of pressure difference with a frequency modulated output signal comprises a hollow body, two identical membranes with epitaxially grown resonators, a system of resonator oscillations excitation with a permanent magnet and a system of generation of an output signal separated by a vacuumised gap.
EFFECT: simplified design of a sensor and its improved manufacturability.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано самостоятельно или в составе измерительно-вычислительных комплексов и систем управления, работающих в широком диапазоне механических и тепловых воздействий и предназначенных для получения информации о разности давлений исследуемых жидких и газообразных сред.The invention relates to instrumentation, can be used independently or as part of measuring and computing systems and control systems operating in a wide range of mechanical and thermal influences and designed to obtain information about the pressure difference of the studied liquid and gaseous media.

Изобретение может быть использовано в измерительно-вычислительных комплексах для систем транспортировки жидкостей, газов, в системах подачи топлива, в двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, инженерных сетях различного назначения, в бытовой технике.The invention can be used in measuring and computing systems for transporting liquids, gases, in fuel supply systems, in internal combustion engines, steam and gas turbines, utility networks for various purposes, in household appliances.

Известен способ измерения разности давлений датчиками с частотно-модулированным выходным сигналом. Кремниевые резонаторы обладают одинаковыми формой, размерами и идентичными механическими характеристиками, эпитаксиально выращены на рабочих поверхностях мембран.A known method of measuring the pressure difference by sensors with a frequency-modulated output signal. Silicon resonators have the same shape, size and identical mechanical characteristics, are grown epitaxially on the working surfaces of the membranes.

Известен патент США №4841775 [1], содержащий датчик разности давлений, выполненный в виде единого кремниевого кристалла, включающего диод и транзистор.Known US patent No. 4841775 [1] containing a differential pressure sensor, made in the form of a single silicon crystal, including a diode and a transistor.

Известен способ измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом (патент ЕРО 456029 А1) [2], по которому используют мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, возбуждают колебания резонаторов и формируют выходной сигнал.A known method of measuring the pressure difference with a frequency-modulated output signal (patent EPO 456029 A1) [2], which use a membrane with epitaxially grown resonators on it, excite oscillations of the resonators and generate an output signal.

Известен также микромеханический датчик давления с частотно-модулированным выходным сигналом по указанному патенту [2], содержащий корпус, кремниевую мембрану с эпитаксиально выращенными на ней в едином технологическом процессе резонаторами и вакуумирующими их капсулами для обеспечения достаточно высокого уровня добротности механической колебательной системы, систему возбуждения колебаний с постоянным магнитом, систему формирования выходного сигнала.Also known is a micromechanical pressure sensor with a frequency-modulated output signal according to the aforementioned patent [2], comprising a housing, a silicon membrane with resonators epitaxially grown on it in a single technological process and their capsules evacuating them to ensure a sufficiently high level of quality factor of a mechanical oscillating system, an oscillation excitation system with a permanent magnet, a system for generating an output signal.

Этот датчик обладает достаточно высокими метрологическими характеристиками, поскольку мембрана, резонаторы и капсула являются фрагментами одного монокристалла и изготовлены без применения операций соединения методами эпитаксиального наращивания и селективного травления. Решение по данному патенту выбрано в качестве ближайшего аналога.This sensor has sufficiently high metrological characteristics, since the membrane, resonators and capsule are fragments of a single crystal and are made without the use of bonding by epitaxial growth and selective etching. The solution for this patent is selected as the closest analogue.

Однако сложность процесса изготовления пары «резонатор-капсула» и вакуумирования пространства внутри капсулы делает способ и конструкцию ближайшего аналога нетехнологичной, поскольку применяемый процесс является одним из наиболее сложных среди применяемых в технологии микросистем.However, the complexity of the manufacturing process of the “resonator-capsule” pair and the evacuation of the space inside the capsule makes the method and design of the closest analogue not technologically advanced, since the process used is one of the most complex among the microsystems used in the technology.

Предлагаемые способ и конструкция датчика не требуют применения вакуумирующих капсул, как у прототипа, что существенно упрощает конструкцию и делает ее намного технологичней при сохранении высоких метрологических характеристик и добротности резонатора.The proposed method and design of the sensor does not require the use of vacuum capsules, as in the prototype, which greatly simplifies the design and makes it much more technological while maintaining high metrological characteristics and quality factor of the resonator.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемых способе и датчике с частотно-модулированным выходным сигналом в полом корпусе содержится чувствительный элемент - две кремниевые монокристаллические мембраны с эпитаксиально выращенными на ней вторичными измерительными элементами - резонаторами, разделенные вакуумированным промежутком, обеспечивающим требуемый уровень добротности механической колебательной системы без дополнительного капсулирования (замкнутых капсул), которое применяется в прототипе.The specified technical result is achieved by the fact that the proposed method and the sensor with a frequency-modulated output signal in the hollow housing contains a sensitive element - two silicon single crystal membranes with secondary measuring elements epitaxially grown on it - resonators separated by a vacuum gap, providing the required level of quality of mechanical vibrational system without additional encapsulation (closed capsules), which is used in the prototype.

Таким образом, сущность изобретения можно сформулировать так.Thus, the essence of the invention can be formulated as follows.

Способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом, по которому используют мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, возбуждают колебания резонаторов и формируют выходной сигнал, отличающийся тем, что дополнительно вводят мембрану с резонаторами с возможностью образования вакуумированного промежутка.A method for measuring the pressure difference by a sensor with a frequency-modulated output signal, which uses a membrane with resonators grown epitaxially on it, oscillates the resonators and generates an output signal, characterized in that an additional membrane with resonators is introduced with the possibility of forming a vacuum gap.

Датчик измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, реализующий способ по п. 1, содержащий мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов с постоянным магнитом и систему формирования выходного сигнала, отличающийся тем, что обе мембраны с резонаторами разделены вакуумированным промежутком и образуют корпус.A pressure difference measuring sensor with a frequency-modulated output signal that implements the method according to claim 1, comprising a membrane with resonators epitaxially grown on it, a permanent magnet resonator excitation system and an output signal generating system, characterized in that both membranes with resonators are separated by a vacuum gap and form a body.

Изобретение иллюстрируется на чертежах: фиг. 1 - конструктивное исполнение датчика, фиг. 2 - разрез фиг. 1 по линии А-А (увеличенный масштаб), фиг. 3 - функциональна схема датчика. На чертежах цифрами обозначено: 1 - корпус датчика, 2 - идентичные кремниевые мембраны 2 с резонаторами 3, 4, постоянный магнит 5 с магнитопроводом 6; система возбуждения резонаторов 7, система съема и обработки сигнала 8.The invention is illustrated in the drawings: FIG. 1 is a design of the sensor, FIG. 2 is a sectional view of FIG. 1 along line AA (enlarged scale), FIG. 3 is a functional diagram of a sensor. In the drawings, the numbers indicate: 1 - the sensor housing, 2 - identical silicon membranes 2 with resonators 3, 4, a permanent magnet 5 with a magnetic core 6; excitation system of the resonators 7, the system of removal and processing of the signal 8.

На чертежах представлен предлагаемый датчик. Он содержит полый корпус 1, чувствительный элемент - две независимые идентичные кремниевые мембраны 2 с резонаторами 3, 4. Возбуждение собственных колебаний резонатора осуществляется в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 5, с магнитопроводом 6, находящимся в вакуумированном пространстве между мембранами, с магнитным полем тока, пропускаемого через балки резонаторов.The drawings show the proposed sensor. It contains a hollow body 1, a sensitive element - two independent identical silicon membranes 2 with resonators 3, 4. The resonator's own vibrations are excited as a result of the interaction of the magnetic field created by the permanent magnet 5 with the magnetic circuit 6 located in the evacuated space between the membranes with a magnetic field of current passed through the beams of the resonators.

Датчик работает следующим образом. Под действием сил давления происходит деформация мембран 2, приводящая к растяжению или сжатию резонаторов 3, 4 и изменению их резонансных частот пропорционально измеряемым давлениям.The sensor operates as follows. Under the action of pressure forces, the membranes 2 deform, leading to the extension or compression of the resonators 3, 4 and a change in their resonant frequencies in proportion to the measured pressures.

Разность давлений определяется сравнением резонансных частот резонаторов каждой мембраны, при этом собственные колебания резонаторов обеспечиваются силой Ампера, возникающей при взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и тока в балке возбуждения резонатора.The pressure difference is determined by comparing the resonant frequencies of the resonators of each membrane, while the natural oscillations of the resonators are provided by the Ampere force arising from the interaction of the magnetic fields of the permanent magnet and the current in the resonator excitation beam.

Датчик может выполняться как в защищенном, так и незащищенном вариантах, а также может использоваться как датчик абсолютного давления.The sensor can be performed in both protected and unprotected versions, and can also be used as an absolute pressure sensor.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №4841775, G01L 9/00, G01L 011/00, заявл. 19.01.1988, опубл. 27.06.1989.1. US patent No. 4841775, G01L 9/00, G01L 011/00, decl. 01/19/1988, publ. 06/27/1989.

2. Европейский патент ЕРО 456029 A1, G01L 11/00, заявка №91106472.3, заявл. 23.04.1991, опубл. 13.11.1991.2. European patent EPO 456029 A1, G01L 11/00, application No. 91106472.3, decl. 04/23/1991, publ. 11/13/1991.

Claims (2)

1. Способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом, по которому используют мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, возбуждают колебания резонаторов и формируют выходной сигнал, отличающийся тем, что дополнительно вводят мембрану с резонаторами с возможностью образования вакуумированного промежутка.1. A method of measuring the pressure difference by a sensor with a frequency-modulated output signal, which uses a membrane with resonators grown epitaxially on it, vibrates the resonators and generates an output signal, characterized in that an additional membrane with resonators is introduced with the possibility of forming a vacuum gap. 2. Датчик измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, реализующий способ по п. 1, содержащий мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов с постоянным магнитом и систему формирования выходного сигнала, отличающийся тем, что обе мембраны с резонаторами разделены вакуумированным промежутком и образуют корпус. 2. A pressure difference measuring sensor with a frequency-modulated output signal that implements the method according to claim 1, comprising a membrane with resonators epitaxially grown on it, a permanent magnet resonator excitation system and an output signal generating system, characterized in that both membranes are with resonators separated by a vacuum gap and form a housing.
RU2013147847/28A 2013-10-25 2013-10-25 Method to measure difference of pressures by sensor with frequency modulated output signal and sensor for realisation of method RU2548404C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147847/28A RU2548404C1 (en) 2013-10-25 2013-10-25 Method to measure difference of pressures by sensor with frequency modulated output signal and sensor for realisation of method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147847/28A RU2548404C1 (en) 2013-10-25 2013-10-25 Method to measure difference of pressures by sensor with frequency modulated output signal and sensor for realisation of method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2548404C1 true RU2548404C1 (en) 2015-04-20
RU2013147847A RU2013147847A (en) 2015-04-27

Family

ID=53283187

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013147847/28A RU2548404C1 (en) 2013-10-25 2013-10-25 Method to measure difference of pressures by sensor with frequency modulated output signal and sensor for realisation of method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2548404C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0456029A1 (en) * 1990-05-10 1991-11-13 Yokogawa Electric Corporation Vibrating type pressure measuring device
RU2371841C2 (en) * 2007-11-30 2009-10-27 Оао "Нпо "Эркон" Acoustoelectric surface acoustic wave sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0456029A1 (en) * 1990-05-10 1991-11-13 Yokogawa Electric Corporation Vibrating type pressure measuring device
RU2371841C2 (en) * 2007-11-30 2009-10-27 Оао "Нпо "Эркон" Acoustoelectric surface acoustic wave sensor

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013147847A (en) 2015-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Patimisco et al. Analysis of the electro-elastic properties of custom quartz tuning forks for optoacoustic gas sensing
Melamud et al. Temperature-insensitive composite micromechanical resonators
Zotov et al. High-range angular rate sensor based on mechanical frequency modulation
Ng et al. Stability of silicon microelectromechanical systems resonant thermometers
Pandit et al. Practical limits to common mode rejection in mode localized weakly coupled resonators
Zotov et al. Frequency modulation based angular rate sensor
Zhou et al. Mitigating thermoelastic dissipation of flexural micromechanical resonators by decoupling resonant frequency from thermal relaxation rate
Zhang et al. A low-noise high-order mode-localized MEMS accelerometer
HyuckAhn et al. Encapsulated disk resonator gyroscope with differential internal electrodes
RU2548404C1 (en) Method to measure difference of pressures by sensor with frequency modulated output signal and sensor for realisation of method
Le Traon et al. Monolithic differential vibrating beam accelerometer within an isolating system between the two resonators
CN109477816B (en) Optimized mechanical resonator operating in a fluid
RU2548582C1 (en) Measuring method of pressure difference with sensor with frequency-modulated output signal and sensor for method's implementation
RU140219U1 (en) SENSOR WITH FREQUENCY-MODULATED OUTPUT SIGNAL
RU141302U1 (en) SENSOR WITH FREQUENCY-MODULATED OUTPUT SIGNAL
Ortiz et al. Thermal effects of ovenized clocks on episeal encapsulated inertial measurement units
Feng et al. A three million Q factor tuning fork resonator based on a vibration isolation structure
Thakur et al. Analysis of acceleration sensitivity in MEMS tuning fork gyroscope
Song et al. A MEMS resonant lorentz-force magnetometer with both structural topology optimization and parametric pumping for Q-factor enhancement
RU2623182C1 (en) Piezoresonance sensitive element of absolute pressure
Langfelder et al. Temperature Sensing for MEMS Sensors: A Review, and Chances for the Frequency-Control Community
Guo et al. An ultra high-Q micromechanical in-plane tuning fork
RU2107278C1 (en) Vibration sensitive element of gas density
Ghosh et al. A lorentz force magnetometer based on a piezoelectric-on-silicon radial-contour mode disk
Su Approaches for low noise sensing in MEMS disk gyros