DE69203606T2 - Temperaturunabhängiger Mikrosensor mit schwingendem Stab. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung hat einen temperaturkompensierten Mikrosensor mit vibrierendem Stab zum Gegenstand. Sie bezieht sich insbesondere auf Druckmessungen in einem großen Temperaturbereich, der von einigen zehn Grad Celsius unter 0ºC bis zu einigen hundert Grad Celsius über 0ºC reichen kann.
• Mikrosensoren mit vibrierendem Stab sind bekannt; man findet eine Beschreibung derselben in den Dokumenten GB 2 185 106 und GB 2 194 049.
• Dieser Typ von Sensor, angewandt auf die Messung des Drucks, wird aus Halbleitermaterial, beispielsweise Silicium, hergestellt und besitzt einen vibrierenden Stab, der mit seinen Enden mit einer Membran verbunden ist, welche den Druckänderungen unterworfen ist. Die Deformation der Membran bewirkt Änderungen der Resonanzfrequenz des schwingenden Stabs. Man mißt demgemäß die Resonanzfrequenzänderungen des Stabes, um daraus den Druck abzuleiten.
• Die statische Resonanzfrequenz des Stabes, der keiner Belastung ausgesetzt ist, wird bei seiner Herstellung festgelegt. Das Maß der Änderungen dieser Frequenz, wenn der Stab einer Belastung ausgesetzt wird, kann durch Interferometrie ausgeführt werden.
• Das Interferometer, beispielsweise gemäß dem Dokument GB 2 185 106, wird von dem Ende der optischen Faser gebildet, die ein monochromatisches kontinuierliches Lichtbündel für die Erregung des Stabes überträgt, und der oberen Oberfläche des Stabes.
• Der Transmissionskoeffizent des Interferometers hängt von der Distanz ab, die das Ende der Faser von der gegenüberliegenden Oberfläche trennt.
• Wenn die Transmission maximal ist, wird der Lichtstrahl von dem Stab absorbiert unter Erwärmung infolge des photothermischen Effektes der oberen Partie des Stabes, die sich durch Dehnung deformiert. Die Distanz Faser-Stab ändert sich unter Verringerung des Transmissionskoeffizienten und infolgedessen einer Verringerung der Erwärmung mit der Tendenz, den Stab wieder in seinen Ursprungszustand zurückzubringen.
• Der Stab gelangt demgemäß zur Vibration mit seiner Resonanzfrequenz, aufrechterhalten durch die Variationen des Transmissionskoeffizienten. Es handelt sich um ein Phänomen der Selbsterregung.
• Man erfaßt die Modulation des von dem Interferometer reflektierten Lichtstrahls zum Messen der Resonanzfrequenz, was es ermöglicht, die Deformation des Stabes infolge eines Druckes abzuleiten, der auf die Membran ausgeübt wird.
• Diese Erfassung weist Nachteile auf. Um nämlich eine maximale Empfindlichkeit zu erhalten, muß die Distanz zwischen dem Ende der optischen Faser und der oberen Oberfläche des Stabes genau auf einen Wert gleich λ/8 (2k+1) festgelegt werden, worin k irgendeine ganze Zahl ist und λ die Wellenlänge der Lichtquelle.
• Die Einstellung dieser Distanz mit der erforderlichen Genauigkeit ist aber sehr schwierig ins Werk zu setzen; andererseits hängt die Distanz in Ruhe zwischen dem Faserende und der oberen Oberfläche des Stabes von äußeren Faktoren ab. Beispielsweise führen starke Temperaturänderungen zu einer Änderung dieser Distanz.
• Ein anderer Nachteil dieses Typs von Sensor besteht in seiner Temperaturabhängigkeit. Der Young-Modul des Siliciums ändert sich nämlich in empfindlicher Weise in Abhängigkeit von Temperaturänderungen, was die Resonanzfrequenz des vibrierenden Stabes beeinflußt und infolgedessen die Messungen verfälscht.
• Um diesen Nachteil zu beheben, führt man gleichzeitig Temperaturmessungen aus und kompensiert die Änderung des Young-Moduls entsprechend einer vorherigen Eichung.
• Das Patent US 4 972 076 beschreibt einen Mikrosensor, der zwei vibrierende Stäbe verwendet. Der erste, der mit seinen beiden Enden mit der Membran verbunden ist, ermöglicht die Messung des Druckes. Der zweite, der nur mit einem seiner Enden mit der Membran verbunden ist, während das andere frei ist, ist nur gegenüber Temperaturänderungen empfindlich, so daß die Messung seines Young-Moduls es ermöglicht, bei der Druckmessung die erforderlichen Korrekturen vorzunehmen.
• Die beiden Stäbe werden durch ein und denselben modulierten Lichtstrahl erregt, was zur Folge hat, daß die Stäbe entsprechend ihrer Resonanzfrequenz erwärmt werden. Es erweist sich jedoch, daß die gleichzeitige Erregung der beiden Stäbe schwierig effizient ins Werk zu setzen ist.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine temperaturkompensierte Druckmessung mit Hilfe eines einfacher ins Werk zu setzenden Mikrosensors als die Mikrosensoren nach dem Stand der Technik zu ermöglichen.
• Die vorliegende Erfindung hat auch zum Ziel, ein System für das Erfassen der Resonanzfrequenz des Stabes zu schaffen, umfassend ein Interferometer, das wenig empfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist und im Gegensatz zu Systemen nach dem Stand der Technik keine schwierig ausführbare und das Verhalten des Sensors verschlechternde Oberflächenbehandlung benötigt.
• Die vorliegende betrifft demgemäß einen temperaturkompensierten Mikrosensor mit vibrierendem Stab, umfassend:
• - einen vibrierenden Stab, der eine Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von einer zu messenden physikalischen Größe besitzt,
• - Erregungsmittel des vibrierenden Stabes,
• - Mittel zum Messen der Resonanzfrequenz des Stabes,
• - Mittel zum Messen der optischen Dicke des Stabes,
• - Mittel zum Ableiten der Temperatur aus dieser Messung, und
• - Mittel zum Bestimmen der physikalischen, zu messenden Größe, ausgehend von der Resonanzfrequenz und der Temperatur.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zum Messen der optischen Dicke des Stabes:
• - Beleuchtungsmittel des Stabes mit einem Lichtstrahl des Spektrums im langwelligen Bereich und der zentralen Wellenlänge, ausgewählt in einer Zone der Quasi-Transparenz des den Stab bildenden Materials,
• - ein Spektroskop zum Messen des Spektrums in der Wellenlänge des Lichtstrahls, der von dem Stab reflektiert wird, und
• - Mittel zum Ableiten der optischen Dicke aus einer Charakterisierung einer Modulation des Spektrums in der Wellenlänge, wobei der Stab ein Interferometer für den Lichtstrahl bildet.
• Vorteilhafterweise umfaßt das Spektroskop ein Beugungsgitter und eine Leiste optischer Sensoren.
• In vorteilhafter Weise umfassen die Beleuchtungsmittel eine elektrolumineszente Diode, angeschlossen an eine optische Faser, die den von der Diode ausgehenden Lichtstrahl auf den Stab richtet.
• Vorzugsweise umfassen die Erregungsmittel eine Laserdiode, moduliert mit der Resonanzfrequenz des Stabes und Lichtimpulse abgebend, wobei eine optische Faser diese Lichtimpulse auf den Stab richtet.
• Gemäß einer besonderen Ausführungsform umfaßt der Mikrosensor:
• - eine Membran, wobei der vibrierende Stab mit seinen Enden an der Membran befestigt ist, wobei die Resonanzfrequenz des Stabes eine Funktion einer Deformation der Membran unter der Wirkung eines Druckes ist,
• - die Resonanzfrequenz-Meßmittel Mittel zum Beleuchten des Stabes mit einem Lichtstrahl umfassen, ein Interferometer, gebildet von den einander gegenüberliegenden Oberflächen des Stabes und der Membran, mindestens einen optischen Sensor, ausgebildet zum Erfassen eines von dem Interferometer reflektierten Lichtstrahls und zum Erzeugen eines Signals, proportional der Resonanzfrequenz des Stabes.
• In bevorzugter Weise sind die Beleuchtungsmittel den Resonanzfrequenzmeßmitteln und den Mittel zum Messen der optischen Dicke des Stabes gemeinsam.
• Vorteilhafterweise haben die Beleuchtungsmittel ein breites Spektrum, Trennmittel zum Trennen der Komponenten unterschiedlicher Wellenlänge eines von dem Interferometer reflektierten Lichtstrahls, optische Sensoren zum Erfassen der getrennten Komponenten, welche Sensoren ein Signal proportional der Resonanzfrequenz des Stabes abgeben, Auswählmittel zum Wählen des Signals proportional der Resonanzfrequenz der größten Intensität.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Trennmittel den Resonanzfrequenzmeßmitteln und den Mitteln zum Messen der optischen Dicke des Stabes gemeinsam.
• Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung, die nur als illustratives Beispiel zu verstehen ist, nicht jedoch als beschränkend, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
• - die Figur 1 schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt,
• - die Figur 2 schematisch eine Platte zeigt, in der ein vibrierender Stab ausgearbeitet ist,
• - die Figur 3 schematisch verschiedene Wellenlängenspektren zeigt, herrührend von einer Simulation der Arbeitsweise des Mikrosensors,
• - die Figur 4 schematisch den Verlauf von Intensitätsänderungen I einer Spektralkomponente mit der Distanz d zeigt, die den Stab von der Membran trennt,
• - die Figur 5 schematisch eine Ausführungsvariante der Vorrichtung für eine Messung, ausgeführt bei mehreren Wellenlängen, zeigt,
• - die Figur 6 schematisch das Verhalten der Intensitätsänderung I der beiden Spektralkomponenten mit der Distanz d zeigt, die den Stab von der Membran trennt.
• Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird nun ein Mikrosensor gemäß der Erfindung beschrieben. Diese Ausführungsform dient der Anwendung bei der Druckmessung. Man weiß jedoch, daß die Resonanzfrequenz die Bestimmung anderer Typen von Belastungen ermöglicht, abhängig von dem gewählten Mittel, zum Verändern der Resonanzfrequenz des vibrierenden Stabes.
• Das für die Herstellung des Mikrosensors gewählte Material muß hinreichend stabil sein. Man wählt vorzugsweise einen Kristall aus Quarz, Saphir, halbleitende Materialien oder anderen.
• Im beschriebenen Beispiel wird eine druckempfindliche Membran 10 chemisch in einem rechteckigen Substrat 12 aus Silicium geätzt. Die rechteckige Form der Membran, dargestellt in Figur 1, ist nicht zwingend und man kann auch eine runde Form wählen. Ein Stab, realisiert durch Mikrobearbeitung in einer Platte 14 aus Silicium, wird im Zentrum der Membran positioniert. Dieser Stab 16 ist in Draufsicht in Figur 2 dargestellt.
• Die Platte 14 wird mit dem Substrat 12 durch Fusion bei sehr hoher Temperatur verbunden derart, daß die Enden des Stabes 16 mit der Membran verbunden sind. Dieser Stab 16 ist fähig, in Resonanz zu vibrieren.
• Die Resonanzfrequenz des Stabes ist eine Funktion seiner Abmessungen und der Temperatur über die Abhängigkeit des Young-Moduls von der Temperatur. Darüber hinaus ist, da der Stab mit der Membran an seinen Enden verbunden ist, seine Resonanzfrequenz eine Funktion der Zugspannung, die ausgeübt wird infolge der Auslenkung der Membran und demgemäß des Druckes, der auf die Membran wirkt. Der Stab wird einer optischen Erregung unterworfen, die mittels alternierender Erwärmung (photothermischer Effekt) bei der Resonanzfrequenz wirkt.
• Zu diesem Zweck ist eine Kappe 18 auf der Platte 14 befestigt. Diese Kappe 18 ist von einer öffnung durchsetzt, die den Durchtritt und Halterung einer optischen Faser 20 ermöglicht, deren Ende dem Stab 16 gegenüberliegt.
• Die Kappe 18 besteht aus einem rechteckigen Siliciumsubstrat mit den Abmessungen des Substrats 12, in welchem die Membran 10 ausgebildet ist. Um die Kappe herzustellen, wird das Substrat ausgehöhlt mittels chemischem Abtrag. Die Tiefe des Abtrags wird derart gewählt, daß das Ende der optischen Faser 20 hinreichend entfernt ist von dem Stab 16, wie später im einzelnen zu zeigen. Die Dicke des verbleibenden Materials nach dem Abtrag muß ausreichen, um eine Haltefunktion der Faser auszuüben.
• Die Kappe wird mit Hilfe einer entsprechenden Technik, beispielsweise chemisch oder mit Ultraschall oder auch mit Laser, von einem Kanal durchbohrt, in den die optische Faser 20 eingesiegelt wird.
• Die Kappe wird mit ihren Rändern auf die Platte 14 gesiegelt.
• In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die optische Faser 20 ein Dreizackende mit demgemäß drei Armen 21, 22, 23.
• Der Zweig 21 wird für das Einspeisen eines Erregungslichtstrahls in die Faser 20 verwendet. Dieser Erregungslichtstrahl wird von Impulsen gebildet, emittiert von einer Laserdiode 24, mit einer Frequenz gleich der Resonanzfrequenz des Stabes 16. Die Wellenlänge des Erregerlichtstrahls wird in dem Absorptionsband des den Stab bildenden Materials gewählt, beispielsweise 630 nm oder 670 nm für Silicium.
• Ein Modulator 26, verbunden mit der Laserdiode 24, steuert die Abgabe der Lichtimpulse.
• Die Lichtimpulse werden auf den Stab 16 mittels der optischen Faser 20 gerichtet. Die Absorption des Erregerlichtes erfolgt prinzipiell auf dem Niveau der oberen Oberfläche 17 des Stabes 16. Auf diese Weise ergibt sich ein Temperaturgradient in dem Stab zwischen der oberen Oberfläche 17 und der unteren Oberfläche, was einen Zugspannungsgradienten in dem Stab erzeugt. Die Impulsnatur des Lichtes führt zu einer zeitlichen Modulation des Temperaturgradienten, was zur Folge hat, den Stab 16 in Vibration zu versetzen.
• Da die Resonanzfrequenz sich mit dem Druck entwickelt, der auf die Membran 10 ausgeübt wird, umfaßt der Mikrosensor Mittel zum Messen der Resonanzfrequenz, verbunden am Ausgang mit einem Eingang des Modulators 26 derart, daß eine Regelschleife gebildet wird und die Aufrechterhaltung der Vibration des Stabes 16 ermöglicht wird.
• Der auf die Membran wirkende Druck wird bestimmt aus der Kenntnis der Resonanzfrequenz, doch hängt diese letztere auch von der Temperatur ab. Der Mikrosensor umfaßt Mittel zum Messen der Temperatur, die eine Kompensation bei der Druckbestimmung auszuführen ermöglichen.
• Es sind diese Temperatur- und Resonanzfrequenzmeßmittel, die nun beschrieben werden sollen.
• Die Temperaturmeßmittel umfassen Mittel zum Messen der optischen Dicke des Stabes 16. Eine Elektrolumineszenzdiode 28 mit einem breiten Wellenlängenspektrum, das beispielsweise von 800 nm bis 900 nm reicht, erzeugt einen Lichtstrahl mit einer zentralen Wellenlänge, die in einer Zone der Quasi-Transparenz des den Stab 16 bildenden Materials gewählt wird.
• Mit anderen Worten, wird die Wellenlänge derart gewählt, daß der Lichtstrahl quer durch den Stab 16 zu mehr als einem gewissen Prozentsatz übertragen wird. Beispielsweise wählt man eine Wellenlänge von 850 nm, die sich an einem Rand des Absorptionsbandes des Siliciums befindet, doch wird der Lichtstrahl zu mehr als 50% übertragen, weil die Dicke des Stabes 16 nur wenige Mikrometer beträgt.
• Der Lichtstrahl mit breitem Spektrum wird am Eingang des Zweiges 22 der optischen Faser 20 abgegeben und beleuchtet den Stab 16 am Ausgang dieser Faser 20.
• Der Stab 16 bildet ein Interferometer für den Lichtstrahl mit breitem Spektrum. Der von dem Stab 16 reflektierte Lichtstrahl ist demgemäß in seinem Spektrum moduliert in Abhängigkeit von der optischen Dicke des Stabes 16. Die optische Dicke ist gleich dem Produkt der geometrischen Dicke und dem Refraktionsindex des Materials, aus dem der Stab 16 gebildet ist. Wenn die geometrische Dicke sich wenig ändert (in der Größenordnung von 10&supmin;&sup6; als relativer Wert) in Abhängigkeit von der Temperatur - wobei der untersuchte Temperaturbereich 600ºC nicht überschreitet -, ändert sich der Refraktionsindex stark (in der Größenordnung von 10&supmin;&sup4; als relativer Wert, je nach der Analysewellenlänge, die gewählt wird) in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Messung der Modulation des Spektrums ermöglicht demgemäß die Messung der Temperatur, wobei die Änderungen des Index in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt werden durch eine vorherige Charakterisierung.
• Der von dem Stab reflektierte Lichtstrahl mit breitem Spektrum gelangt in die optische Faser 20 und tritt insbesondere am Ende des Armes 23 dieser Faser aus.
• Ein Filter 30 ermöglicht, den reflektierten Lichtstrahl, herrührend von einer Reflexion des Erregerlichtstrahls, zu eliminieren, ohne die Transmission des reflektierten Strahls mit breitem Spektrum zu verändern. Dieser letztere wird in ein Spektroskop 32 eingeführt, umfassend ein Beugungsgitter 34, das die Wellenlängenkomponenten des Strahls entsprechend unterschiedlichen Winkeln ablenkt, um einen gestaffelten Strahl zu bilden. Eine Leiste von optischen Sensoren 36 erfaßt den aufgefecherten Lichtstrahl. Jeder Sensor entspricht einer bestimmten Wellenlänge und gibt an seinem Ausgang ein Signal entsprechend der erfaßten Lichtintensität ab.
• Verarbeitungsmittel 40, am Eingang angeschlossen mit den Ausgängen der Sensoren 36, realisieren eine Analyse des Wellenlängenspektrums. Sie berechnen die optische Dicke, ausgehend von Modulationsparametern, und leiten daraus die Temperatur ab, wobei die Temperaturabhängigkeit der optischen Dicke vorher charakterisiert und abgespeichert worden ist.
• Diese Verarbeitungsmittel 40 können von einem Mikroprozessor gebildet sein (angeschlossen an seine üblichen Peripherieschaltungen), der derart programmiert ist, daß das gesuchte Resultat erhalten wird.
• In Figur 3 sind schematisch verschiedene Spektren wiedergegeben, herrührend von einer Simulation der Funktion der Vorrichtung. Die Abszissenachse entspricht den Wellenlängen (l.o.); die Ordinatenachse entspricht den gemessenen Intensitäten von den Sensoren der Leiste, wiedergegeben in willkürlichen Einheiten (u.a.).
• Die Kurve 46 repräsentiert das Verhalten des Spektrums, gemessen von dem Verarbeitungssystem. Diese Kurve resultiert aus der Kombination verschiedener Komponenten, herrührend von der Wirkung verschiedener Interferometer, die in der Vorrichtung wirksam werden.
• Man zählt nämlich drei getrennte Interferometer, die mit dem Lichtstrahl breitem Spektrums in Wechselwirkung treten.
• In Figur 1 erkennt man, daß das erste gebildet wird von der Oberfläche des Endes der optischen Faser 20 und der oberen Oberfläche gegenüber des Stabes 16; das zweite wird gebildet von dem Stab 16 selbst und das dritte von der unteren Oberfläche des Stabes und der Oberfläche gegenüber der Membran 10.
• Zurückkommend auf Figur 3, repräsentiert die Kurve 42 das Verhalten der Modulation des Spektrums unter der Wirkung des Interferometers, gebildet von dem Stab 16. Es ist wohlbekannt, daß die optische Dicke erhalten werden kann durch die Formel:
• E = 1/2 l²/ (l2 - l1) (1)
• worin l1 und l2 zwei aufeinanderfolgenden Intensitätsminima entsprechen, l einem mittleren Wert zwischen l1 und l2 entspricht und E der optischen Dicke entspricht. Da die Temperaturabhängigkeit von E bekannt ist, kann man auf diese Weise die Temperatur bestimmen.
• Die Kurve 44 repräsentiert das Verhalten der Modulation des Spektrums unter der Wirkung des Interferometers, gebildet zwischen der unteren Oberfläche des Stabes 16 und der gegenüberliegenden Oberfläche der Membran 10 (Figur 1).
• Der optische Abstand zwischen dem Stab 16 und der Membran 10 wird hinreichend viel kleiner gewählt als die optische Dicke des Stabes 16, damit die Modulationsperioden unterschiedlich sind und einander nicht überlagern. In dem dargestellten Beispiel der Figur 3 sind die geometrischen Distanzen im wesentlichen dieselben, wobei die Differenz zwischen den optischen Distanzen erhalten wird dank dem Unterschied des Refraktionsindex des Materials, aus dem der Stab hergestellt ist, und der Luft, die den Raum zwischen dem Stab und der Membran füllt. Die Kenntnis der einzelnen Beiträge der Interferometer ermöglicht, die Ausführung einer automatischen Korrektur der Messung der optischen Dicke und die Vermeidung einer Störung infolge des Interferometers, gebildet zwischen dem Stab und der Membran.
• Der Beitrag des dritten Interferometers, gebildet zwischen dem Ende der Faser und dem Stab, ist in Figur 3 nicht dargestellt. Dies wird nämlich nicht wirksam. Die Distanz zwischen dem Ende der Faser und der gegenüberliegenden Oberfläche des Stabes wird hinreichend groß gewählt, daß die Modulationsperiode des Spektrums sehr viel kleiner ist als jene des Beitrags infolge des Stabes. Die Abmessungen des optischen Sensors ermöglichen nicht, eine solche Modulation zu erfassen, die demgemäß die Messung nicht stört.
• Gemäß einer ersten Ausführungsvariante, schematisch in Figur 1 dargestellt, umfassen die Meßmittel der Resonanzfrequenz Mittel zum Beleuchten des Stabes 16, gebildet von der Elektrolumineszenzdiode 28, die ein breites Spektrum am Eingang des Armes 22 der Faser 20 einspeist. Am Ausgang der Faser 20 beleuchtet der Strahl den Stab 16 und dringt in das Interferometer ein, gebildet von den einander gegenüberliegenden Oberflächen des Stabes 16 und der Membran 10.
• Der von diesem Interferometer reflektierte Strahl wird demgemäß, wie man vorstehend gesehen hat, an den Ausgang des Armes 23 der Faser 20 in Richtung des Spektrometers 32 gerichtet.
• Die Sensorleiste 36 erfaßt den von dem Gitter 34 aufgefecherten Strahl. Es interessieren jetzt jedoch nur zeitliche Veränderungen des Strahls und nicht bezüglich seiner spektralen Auffecherung. Zu diesem Zweck gibt ein optischer Sensor 38 der Leiste 36 ein Signal proportional den zeitlichen Änderungen der erfaßten Komponente ab. Ein optischer Sensor des Typs wie jener, enthalten in einer Leiste, hergestellt von der Firma UDT unter der Bezeichnung OSI 38 AUC, ist empfindlich bei Frequenzen, die bis zu 1 MHz gehen können, was ausreichend ist für die Messung der Resonanzfrequenz des Stabes, die sich etwa bei 100 kHz befindet.
• Die Figur 4 zeigt schematisch das Verhalten der Intensitätsänderungen I einer Spektralkomponente mit dem Abstand d, der den Stab von der Membran trennt.
• Diese Distanz d wird moduliert entsprechend den periodischen Deformationen des Stabes infolge Erwärmung durch die Erregungslichtimpulse. Diese Modulation erfolgt bei der Resonanzfrequenz f des Stabes.
• Um ein Maximum an Empfindlichkeit zu erhalten, sollte die Distanz d in Ruhe derart gewählt werden, daß eine Phasenverschiebung, eingeführt durch das zweimalige Durchlaufen der Distanz d, gleich einem ungeraden Vielfachen von π/2 ist, das heißt, daß die Veränderungen von d infolge der Erwärmung um Punkte d1, d2 oder d3 in Figur 4 herum stattfinden sollten.
• Zurückkommend auf Figur 1 erkennt man, daß der Sensor 38 mit einem Verstärker 42 verbunden ist. Der Verstärker 42 gibt ein verstärktes und geformtes Signal proportional der Resonanzfrequenz f des Stabes an den Eingang des Modulators 26 und andererseits an den Eingang von Eichmitteln 44 ab.
• Ein anderer Eingang der Eichmittel 44 ist mit einem Ausgang des Mikroprozessors 40 verbunden, der ein Signal entsprechend der Temperatur abgibt. Diese Eichmittel 44 ermöglichen die Ableitung des auf die Membran wirkenden Druckes, ausgehend von der Temperatur und der Resonanzfrequenz des Stabes. Die Eichmittel 44 können beispielsweise abgespeicherte Korrelationstabellen enthalten, die einen Druck ergeben entsprechend einem Paar Temperatur-Druck entsprechend den Ergebnissen einer vorherigen Eichung.
• Die Messung der Resonanzfrequenz mit Hilfe einer einzigen Spektralkomponente hat den Nachteil, daß man nicht dieselbe Empfindlichkeit bei jeder Temperatur hat. Das Maximum der erhaltenen Empflindlichkeit um d1 herum (Figur 4) ist nämlich nur gültig für einen bestimmten Temperaturbereich; wenn diese letztere sich in konsequenter Weise ändert, kann sich der Abstand zwischen dem Stab und der Membran derart entwickeln, daß die Veränderungen der Distanz mit der Resonanzfrequenz sich um ein Maximum oder ein Minimum der Intensitätskurve herum entwikkein, das heißt dort, wo die Empfindlichkeit minimal ist. Zu dieser Störung kommt hinzu ein Druckeffekt. Die Krümmungen der Membran und des Stabes sind unterschiedlich, wenn ein Druck auf die Membran wirkt, der zu einer Differenz des optischen Weges führt, was die Messung stört.
• Die in Figur 5 wiedergegebene Ausführungsvariante zeigt eine Vorrichtung, für welche die Resonanzfrequenzmessung ausgeführt wird, ausgehend von zwei Spektralkomponenten dank Signalen, ausgegeben von zwei optischen Sensoren 38a und 38b der Leiste 36.
• In vorteilhafter Weise sind diese Sensoren derart angeordnet, daß sie Spektralkomponenten mit Wellenlängen λa bzw. λb erfassen, die derart gewählt sind, daß ein Extrem der Intensität (Minimum der Empfindlichkeit) für eine dem Wendepunkt der Intensitätskurve für die andere (Maximum der Empfindlichkeit : Punkte d1,d2,d3,d'1,d'2,d'3) entspricht (Figur 6).
• Die Sensoren 38a und 38b sind mit Verstärkern 42a bzw. 42b verbunden, welche jeder ein Signal entsprechend der Resonanzfrequenz an zwei Eingänge von Auswählmitteln 43 übertragen, die das Signal größerer Intensität auswählen. Diese Auswählmittel sind am Ausgang mit dem Modulator 26 und mit den Eichmitteln 44 verbunden.
• Man erkennt, daß die Anzahl von Sensoren der Leiste 36, verwendet für die Messung der Resonanzfrequenz, nicht auf zwei beschränkt ist. Demgemäß können alle Sensoren einerseits mit dem Mikroprozessor 40 für die Messung der Temperatur durch Spektralanalyse und andererseits mit Verstärkern verbunden sein, die mit Auswählmitteln verbunden werden, umfassend beispielsweise einen Multiplexer und ein Komparatorsystem für die Auswahl des Signals größter Intensität.

Claims (9)

1. Temperaturkompensierter Mikrosensor mit vibrierendem Stab, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

einen vibrierenden Stab (16), der eine Resonanzfrequenz (f) besitzt, welche eine Funktion einer zu messenden physikalischen Größe ist,

Erregungsmittel (24,26) für den vibrierenden Stab (16),

Meßmittel (28,32,42) der Resonanzfrequenz (f) des Stabes (16),

Meßmittel (28,32) der optischen Dicke des Stabes (16),

Mittel (40) zum Ableiten der Temperatur aus dieser Messung, und

Mittel (44) zum Bestimmen der physikalischen Größe, ausgehend von der Resonanzfrequenz und der Temperatur.

2. Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Messen der optischen Dicke des Stabes (16) umfassen:

Beleuchtungsmittel (28,20) des Stabes (16) mit einem Lichtstrahl des Spektrums im langwelligen Bereich und der zentralen Wellenlänge, ausgewählt in einer Zone der Quasi-Transparenz des den Stab (16) bildenden Materials,

ein Spektroskop (32) zum Messen des Spektrums in der Wellenlänge des Lichtstrahls, der von dem Stab (16) reflektiert wird, und

Mittel (40) zum Ableiten der optischen Dicke aus einer Charakterisierung einer Modulation des Spektrums in der Wellenlänge, wobei der Stab ein Interferometer für den Lichtstrahl bildet.

3. Mikrosensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektroskop (32) ein Diffraktionsgitter (36) und eine Leiste optischer Sensoren (36) umfaßt.

4. Mikrosensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsmittel eine elektrolumineszente Diode (28) umfassen, angeschlossen an eine optische Faser (20), die den von der Diode ausgehenden Lichtstrahl auf den Stab richtet.

5. Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsmittel eine Laserdiode (24) umfassen, moduliert mit der Resonanzfrequenz des Stabes (16) und Lichtimpulse abgebend, wobei eine optische Faser (20) diese Lichtimpulse auf den Stab richtet.

6. Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

eine Membran (10), wobei der vibrierende Stab (16) mit seinen Enden an der Membran (10) befestigt ist, wobei die Resonanzfrequenz des Stabes (16) eine Funktion einer Deformation der Membran (10) unter der Wirkung eines Druckes ist,

wobei die Resonanzfrequenz-Meßmittel Mittel zum Beleuchten (28,20) des Stabes (16) mit einem Lichtstrahl umfassen,

ein Interferometer, gebildet von den einander gegenüberliegenden Oberflächen des Stabes (16) und der Membran (10),

mindestens einen optischen Sensor (38), ausgebildet zum Erfassen eines von dem Interferometer reflektierten Lichtstrahls und zum Erzeugen eines Signals, proportional der Resonanzfrequenz des Stabes (16).

7. Mikrosensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsmittel den Resonanzfrequenz-Meßmitteln und den Mitteln zum Messen der optischen Dicke des Stabes gemeinsam sind.

8. Mikrosensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsmittel ein Spektrum in großen Wellenlängen haben und daß sie umfassen:

Mittel zum Trennen (34), ausgebildet zum Trennen der Komponenten bei unterschiedlichen Wellenlängen eines von dem Interferometer reflektierten Lichtstrahls,

optische Sensoren (38a,38b), die derart angeordnet sind, daß sie die getrennten Komponenten erfassen, welche Sensoren ein Signal erzeugen, proportional der Resonanzfrequenz des Stabes, und

Auswählmittel (43), die das Signal proportional der Resonanzfrequenz mit größter Intensität auswählen.

9. Mikrosensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Trennen (34) den Resonanzfrequenz-Meßmitteln und den Mitteln zum Messen der optischen Dicke des Stabes gemeinsam sind.