РЕЗОНАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ МЭМС-ТЕХНОЛОГИЙ Волков В.С.,Кудрявцева Д.А.,Французов М.В.

Пензенский государственный университет


Номер: 12-2
Год: 2015
Страницы: 64-67
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

МЭМС-технология, датчик давления, кремниевый резонансный преобразователь, сила Лоренца, MEMS technology, pressure sensor, silicone resonant transducer, Lorentz force

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Рассмотрены конструктивные преимущества резонансных измерительных преобразователей механических величин с частотным выходным сигналом, выполненных с использованием МЭМС-технологий.

Текст научной статьи

В современной измерительной технике применяемый во многих датчиках давления тензорезистивный принцип измерения подошел к своему функциональному пределу. Стабильность и устойчивость к перегрузкам для чувствительных элементов датчиков ограничивают такие факторы, как нестабильность подложки и дрейф сопротивления тензорезистивных слоев [1, 52; 2, 64; 3,26; 4,36; 5, 51; 6, 1; 7, 12; 8, 75; 9, 30]. Развитие МЭМС - технологий позволяет применять измерительные преобразователи механических величин, основанные на явлении механического резонанса. Под действием измеряемой физической величины изменяется амплитуда и (или) фаза резонансных колебаний, по которым количественно оценивают входную величину [10, 147]. Применение кремниевой технологии позволяет создавать высокодобротные колебательные системы [11, 11]. При использовании кремниевого резонатора геометрические размеры на 4 - 5 порядков менее подвержены влиянию температуры и статического давления, чем электрические характеристики (емкость, сопротивление) [10, 148; 11, 12]. Частотный выходной сигнал датчика легко оцифровывается и увеличивает функциональные возможности, что позволяет упрощать создание интеллектуальных датчиков физических величин [12,55; 13, 21]. В конце 80-х годов японская компания Yokogawa реализовала принципиально новый частотно-резонансный сенсор DPHarp [10, 148; 11, 11]. Возбуждение колебаний и преобразование частоты механических колебаний в электрический сигнал происходит путем помещения двухконтурных резонаторов в постоянное магнитное поле и пропусканием переменного электрического тока через тело резонатора в контуре возбуждения (рисунок 3). Рис. 3 - Конструкция кристалла чувствительного элемента DPHarp Резонатор размещен на мембране, вытравленной в кремниевой подложке с помощью жидкостного анизотропного травления кремния. Для повышения добротности колебаний и увеличения уровня выходного сигнала балка резонатора помещена в вакуумированную полость. В зависимости от знака приложенного давления мембрана деформируется, резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Собственная частота такого ненагруженного резонатора составляет около 90 кГц, при этом на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления [10, 148; 11,11]. Недостатком резонансного преобразователя фирмы Yokogawa является низкая чувствительность, обусловленная тем, что сила Лоренца, возникающая только в одной из балок, обеспечивает колебание не только балки, по которой протекает переменный ток, но и второй балки, соединенной с первой балкой перемычкой, индуцирующей возникающий во второй балке переменный ток в измерительную схему, что снижает чувствительность преобразования при заданном значении потребляемой мощности. [11, 12; 14, 1]. Усовершенствованный резонансный преобразователь давления содержит кремниевую мембрану с расположенным на ней кремниевым резонатором, конструкция которого показана на рисунке 5 [11,12; 14,1]. Рис. 5 - Конструкция кремниевого резонатора Конструкция содержит два постоянных магнита (3), резонатор (2), выполненный в виде рамки, внутри которой на перемычках (4,5) подвешена плоско-параллельная пластина (6) с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой (7), которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор (8), обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины (6) [11,12; 14,1]. Конструкция резонансного преобразователя давления, при которой проводящая дорожка расположена по периметру плоско-параллельной пластины таким образом, что возникающие две противоположно направленные силы Лоренца создают вращающий момент, обеспечивающий колебания плоско-параллельной пластины позволяет вдвое повысить чувствительность преобразования за счет увеличения амплитуды колебаний плоско-параллельной пластины при одинаковом заданном значении потребляемой мощности и сохранении высокой временной стабильности характеристик.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.