RU2828647C1 - Микроэлектромеханический вибрационный датчик давления - Google Patents
Микроэлектромеханический вибрационный датчик давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2828647C1 RU2828647C1 RU2024110757A RU2024110757A RU2828647C1 RU 2828647 C1 RU2828647 C1 RU 2828647C1 RU 2024110757 A RU2024110757 A RU 2024110757A RU 2024110757 A RU2024110757 A RU 2024110757A RU 2828647 C1 RU2828647 C1 RU 2828647C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- vibration
- pressure
- elastic
- sensor
- Prior art date
Links
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 31
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 210000002445 nipple Anatomy 0.000 description 1
- -1 or a bellows Substances 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давления жидкостных и газовых сред там, где требуется высокая точность и при этом требуются малые габариты измерителя. Предложен микроэлектромеханический вибрационный датчик давления, содержащий замкнутую измерительную полость, установленную на упругом подвесе, датчик вибрационных колебаний, вибратор и преобразователь давления в электрический сигнал. Вибрационный датчик отличается выполнением упругого подвеса, измерительной полости, канала подвода давления и вибратора на одном пьезоэлементе, выполненном в виде полого цилиндра. При этом датчик вибрационных колебаний выполнен как упругая пьзоэлектрическая балка с инерционной массой, собственная частота которой подстраивается под частоту упругих колебаний измерительной полости. Датчик вибрационных колебаний установлен внутри полого цилиндра, а подстройка частоты напряжения, питающего вибратор к собственной частоте упругих колебаний измерительной полости, осуществляется применением схемы фазовой автоподстройки частоты. Дополнительно применен пиковый детектор для преобразования амплитуды колебаний измерительной балки в аналоговый сигнал, несущий информацию о коэффициенте демпфирования измерительной вибрационной балки. Коэффициент демпфирования определяется давлением в измерительной полости. Технический результат – уменьшение габаритов датчика давлений без потери точности. 2 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давления жидкостных и газовых сред там, где требуется высокая точность и при этом требуются малые габариты измерителя.
Малыми габаритами обладают датчики, реализованные по технологии МЕМС (микроэлектрические механические системы). Однако эти датчики имеют большие температурные погрешности. Например, широко известны тензорезистивные датчики давления ЧЭД, выполненные травлением мембраны на кремниевой пластине и размещением на мембране тензорезисторов в зоне концентрации механических напряжений. При питании тензорезисторных мостов постоянным током такие элементы обладают большими уходами начального напряжения из-за изменения температуры. При питании мостов постоянным напряжением у датчиков при изменении температуры изменяется чувствительность. При малых габаритах точностные характеристики датчиков ЧЭД не удовлетворительны.
Известно, что меньшими погрешностями обладают вибрационные датчики давления, которые содержат вибратор и датчик колебаний. В качестве вибратора применяют либо мембрану, либо сильфон, либо совместно мембрану и сильфон. Наиболее близким предлагаемому датчику является датчик по патенту RU 2413190 С1. Он имеет сложную конструкцию и большие габариты. Точность достигается преобразованием давления в частоту колебаний упругой системы. При этом изменение собственной частоты упругих колебаний механической системы определяется изменением массы измеряемой среды, которая заполняет замкнутую полость датчика. Все вибрационные датчики оснащаются генератором колебаний, частота которых настраивается на резонанс с собственной частотой упругих колебаний механической упругой системы. Основной недостаток известных вибрационных датчиков давления кроется в больших габаритах механической упругой системы.
Общими признаками предлагаемого датчика с прототипом являются наличие упругой системы, собственная частота которой зависит от давления, наличие вибратора и датчика вибраций.
Особенностью предлагаемого устройства является малые габариты. С этой целью упругая механическая система в вибрационном датчике давления выполняется из пьезокварцевых двух элементов, один из которых образует герметичную измерительную полость датчика и выполнен в виде упругого полого цилиндра, а второй представляет собой упругую балку с инерционной массой, которая вставлена в измерительную полость. Вибратором является пьезокерамический полый цилиндр, а в качестве датчика вибрационных колебаний применена пьезокерамическая балка с инерционной массой. Частота упругих колебаний датчика вибрационных колебаний выбирается равной частоте упругих колебаний вибратора. Изменение частоты упругих колебаний вызывается изменением массы в измерительной полости. При этом частота колебаний упругой балки также изменяется, но электронной схемой подстраивается под частоту колебаний вибратора.
Конструкция предлагаемого датчика изображена схематически на фиг. 1. Схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) вибратора к собственной частоте упругих колебаний измерительной полости изображена на фиг. 2.
На фиг. 1 входят: штуцер датчика 1, образующий герметичную измерительную полость, пьезокерамический полый цилиндр 2, упругая балка 3 с инерционной массой 4, электроды полого цилиндра 5, электроды упругой балки 6, изолирующая пластина 7, на которой выполнены контактные площадки, экранирующий пьезоэлементы металлический кожух датчика 8.
На фиг. 2 для преобразования собственной частоты упругих колебаний измерительной полости в электрический сигнал применены: датчик вибрационных колебаний 3, выход которого соединен со входом усилителя 9. Сигнал с выхода усилителя 9 сравнивается на фазочуствительным выпрямителе 10 с сигналом генератора управляемого напряжением (ГУН) 11, который имеет вход управления частотой, соединенный с выходом фазочувствительного выпрямителя 10. Выход ГУН соединен с усилителем мощности 12, который питает пьезокерамическим усилителем мощности 12, который питает пьезокерамический полый цилиндр 2. Электроды пьезоэлементов распаиваются на изолирующей пластине 7 и выводятся через отверстие кожуха. Пиковый детектор 13 выполняет функцию преобразования амплитуды колебаний измерительной вибрационной балки в аналоговый сигнал, зависимый от давления.
Работа микроэлектромеханического вибрационного датчика заключается в изменении собственной частоты колебаний упругой системы в зависимости от давления. При изменении давления изменяется плотность среды в замкнутой полости датчика и, как следствие, изменяется масса полого упругого цилиндрам, имеющего жесткость Собственная частота системы определяется известным выражением Согласно системе ФАПЧ, в предлагаемом датчике размещается на поверхности кожуха электронная схема преобразования давления в электрический сигнал. ФАПЧ схемы выполняются на одном кристалле и доступны для применения так же, как и усилитель 9. Применение ФАПЧ системы позволяет иметь частотный сигнал с выхода ГУН. Кроме этого, применяется преобразование сигнала с выхода измерительной балки с помощью пикового детектора и тем самым получают аналоговый сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний измерительной системы, который изменяется из-за изменения коэффициента демпфирования балки, зависимого от давления среды, в которой колеблется измерительная балка.
Применение в предложенном датчике упругого подвеса совместно с измерительной полостью и совместно с вибратором на одном пьезоэлементе позволило существенно уменьшить габариты датчика давлений без потери точности. Применение для преобразования давления в электрический сигнал ФАПЧ системы также направлено на уменьшение габаритов. ФАПЧ система настраивает измерительную вибрационную балку на резонансную частоту, определяемую давлением внутренней измерительной полости. При этом, поскольку изменяется давление в этой полости, то изменяется также и коэффициент демпфирования колебаний измерительной балки, а значит изменяется и амплитуда ее колебаний, которая измеряется дополнительно введенным пиковым детектором.
Claims (1)
- Микроэлектромеханический вибрационный датчик давления, содержащий замкнутую измерительную полость, установленную на упругом подвесе, датчик вибрационных колебаний и вибратор, а также преобразователь давления в электрический сигнал, отличающийся выполнением упругого подвеса, измерительной полости, канала подвода давления и вибратора на одном пьезоэлементе в виде полого цилиндра, при этом датчик вибрационных колебаний выполнен как упругая пьзоэлектрическая балка с инерционной массой, собственная частота которой подстраивается под частоту упругих колебаний измерительной полости, причем датчик вибрационных колебаний установлен внутри полого цилиндра, а подстройка частоты напряжения, питающего вибратор, к собственной частоте упругих колебаний измерительной полости осуществляется применением схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), а также дополнительно применен пиковый детектор для преобразования амплитуды колебаний измерительной балки в аналоговый сигнал, несущий информацию о коэффициенте демпфирования измерительной вибрационной балки, который определяется давлением в измерительной полости.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2828647C1 true RU2828647C1 (ru) | 2024-10-15 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2331076C1 (ru) * | 2006-12-22 | 2008-08-10 | Открытое Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" | Вибрационный датчик |
| WO2008149298A1 (en) * | 2007-06-04 | 2008-12-11 | Nxp B.V. | Pressure gauge |
| RU2413190C1 (ru) * | 2009-12-08 | 2011-02-27 | Владимир Федорович Конькин | Вибрационный датчик давления |
| WO2013132746A1 (ja) * | 2012-03-07 | 2013-09-12 | パナソニック株式会社 | Ｍｅｍｓ共振器を用いた圧力センサ |
| JP2015025769A (ja) * | 2013-07-29 | 2015-02-05 | ビフレステック株式会社 | 検体情報検出ユニット、検体情報処理装置、及び検体情報検出ユニットの製造方法 |
| RU2797312C1 (ru) * | 2023-02-09 | 2023-06-02 | Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский институт машиностроения имени В.В. Бахирева" (АО "ГосНИИмаш") | Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2331076C1 (ru) * | 2006-12-22 | 2008-08-10 | Открытое Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" | Вибрационный датчик |
| WO2008149298A1 (en) * | 2007-06-04 | 2008-12-11 | Nxp B.V. | Pressure gauge |
| RU2413190C1 (ru) * | 2009-12-08 | 2011-02-27 | Владимир Федорович Конькин | Вибрационный датчик давления |
| WO2013132746A1 (ja) * | 2012-03-07 | 2013-09-12 | パナソニック株式会社 | Ｍｅｍｓ共振器を用いた圧力センサ |
| JP2015025769A (ja) * | 2013-07-29 | 2015-02-05 | ビフレステック株式会社 | 検体情報検出ユニット、検体情報処理装置、及び検体情報検出ユニットの製造方法 |
| RU2797312C1 (ru) * | 2023-02-09 | 2023-06-02 | Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский институт машиностроения имени В.В. Бахирева" (АО "ГосНИИмаш") | Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12321079B2 (en) | Piezoelectric resonant-based mechanical frequency combs | |
| Tatar et al. | Stress effects and compensation of bias drift in a MEMS vibratory-rate gyroscope | |
| US5511427A (en) | Cantilevered microbeam temperature sensor | |
| JP3616095B2 (ja) | 共振型集積マイクロビームセンサの静圧補償 | |
| EP2215005B1 (en) | Ultrasound sensor and method | |
| RU2476824C2 (ru) | Осесимметричный кориолисовый вибрационный гироскоп (варианты) | |
| JPS6010148A (ja) | 流体密度測定装置及び流体密度測定方法 | |
| Pandit et al. | An ultra-high resolution resonant MEMS accelerometer | |
| JP2008232886A (ja) | 圧力センサ | |
| US9252707B2 (en) | MEMS mass bias to track changes in bias conditions and reduce effects of flicker noise | |
| JP2011232264A (ja) | 圧電センサー、圧電センサー素子及び圧電振動片 | |
| RU2828647C1 (ru) | Микроэлектромеханический вибрационный датчик давления | |
| Ma et al. | A temperature-drift suppression phase-locked-loop with tunable locked range and frequency division for MEMS resonant accelerometers | |
| Taïbi et al. | SWaP reduction for high dynamic navigation grade accelerometer based on quartz VBA technology | |
| US12081222B2 (en) | Mechanical resonator-based oscillators and related methods for generation of a phase used to compensate for temperature-dependent frequency errors | |
| JP2011232263A (ja) | 圧電センサー、圧電センサー素子及び圧電振動片 | |
| Padovani et al. | In-plane and out-of-plane FM accelerometers with 130 DB dynamic range through NEMS-based oscillators | |
| RU2627544C2 (ru) | Пьезорезонансно-вязкостный вакуумметр | |
| Li et al. | A High-Resolution and Large-Bandwidth Resonant Accelerometer With Thermal Boost Sensitivity | |
| SU883681A1 (ru) | Датчик давлени с частотным выходом | |
| US11757408B2 (en) | Electric field detector | |
| Langfelder et al. | Temperature Sensing for MEMS Sensors: A Review, and Chances for the Frequency-Control Community | |
| JPH05203517A (ja) | センサ装置 | |
| RU2172477C1 (ru) | Датчик давления с частотным выходом | |
| SU932315A1 (ru) | Датчик давлени |