Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Nizkoe_davlenie.docx
Скачиваний:
3
Добавлен:
02.04.2015
Размер:
672.39 Кб
Скачать

Находящийся в вакууме низкоуровневый глубокий реактивный ион, вытравленный резанирующим сенсором давления, электрически возбуждённым и обнаруженным , используя технологию взрыва.

Джессика Мелин, Питер Энокссон, Тьери Корман и Г ¨ Оран Stemme Отдел Сигналов, Датчиков, и Систем, Королевского Технологического института, SE-100 44 Стокгольма, Швеция Электронная почта: melin@s3.kth.se Полученный 9 декабря 1999, в конечной форме 3 февраля 2000

Резюме.

Сдесь представлен чистый кремневый резонирующий сенсор давления придуманный использованием травления глубокого реактивного иона и в вакууме под низким давлением двумя стеклянными крышками. Сенсор состоит из двух вибрирующих мембран подвешенный за 4 точки к неподвижному каркасу. Вспомогательные трубки сгибаются и действуют как впускные отверстия давления. Как только окружающее давление газа изменится форма резонатора то же изменится, т.ж. изменяя свою резонансную частоту. Сенсор объединяет угловые щели( дырки) и находится в вакууме под низким давлением, что бы снизить эффекты понижения сжатия между резонирующей структурой и стеклянными крышками. Сенсор электростатический возбуждённый в сбалансированном режиме колебания и обнаруженный используя технологию взрыва. Эта технология основана на независимом возбуждёнии структуры и обнаружении конечной выходной частоты в разные периоды времени. Различные размеры и структурные вариации сенсора была придуманы и оценены. Измерения показывают что мельчайшая структура ( диаметр мембраны 5 мм) имеет добротность 14000 после помещения в вакууме с низким давлением, чувствительность давления 15 ppmна отметке 0,1-1500 с установленной температурой чувствительностью -34ppmструктура имела резонансную частоту 35078 Гц при атмосферном давлении воздуха. Если нужна бы была большая чувствительность, нужен был бы больший сенсор(140ppm/метер) для сенсора с мембраной 10 мм, не смотря на понижение добротного фактораQ.

  1. ВведениеРезонансные датчики имеют несколько преимуществ перед другим обычными нерезонансными датчиками, включая это 'квазицифровые' (резонансная частота переходит из физический в измеряемый параметр). Эта произведённая частота позволяет легкое сцепление цифровой электронике и таким образом получает результаты с высоким разрешением, так как частота может быть измерена с высокой точностью [1]. Измерения частоты также более неуязвимый к вмешательству чем напряжение или амплитуда тока. Хотя резонаторы требуют, чтобы техника возбуждения начала колебание, которое не необходимое в других методах ощущения, изменение в резонансной частоте продукции может быть обнаружено посредством относительных измерений уровня напряжения или измерений сдвига фаз. Эти типы методов измерения не должны быть столь же точными в измерении уровня напряжения как не резонансные датчики, которые обычно полагаются на абсолютный уровень напряжения. Резонансные датчики давления имеют долгосрочную стабильность, так как резонансная частота не зависит от непостоянных или дрейфующих электрических сигналов, а скорее механических свойств структуры. Так как элемент ощущения колеблется, факторы, такие как механическое демпфирование важные, но могут быть преодолены. Резонансные датчики давления имейте долгосрочную стабильность, так как резонансная частота не зависящий от непостоянных или дрейфующих электрических сигналов, а скорее механические свойства структуры. Начиная с ощущения элемент колеблется, факторы, такие как механическое демпфирование важный, но может быть преодолен. Из-за вышеупомянутых преимуществ, большое исследование и исследования был нацелен на резонансное давление датчиков. Хотя примененные на резонансную частоту отношения давления неотъемлемо не линейны, требуя большего количества точек калибровки по сравнению с другими датчиками, преимущества далеко перевешивают такие трудности для многих заявлений [1]. Монокристаллический кремний - идеальный материал для резонансных датчиков давления из-за его превосходных механических свойств и высокого свойственного фактора Q, почти никакая долгосрочная усталость из-за колебания и возможности изготовления методом групповой технологии [2, 3]. Высокое отношение чопорности к плотности кремния также продвигает более высокую резонансную частоту, по сравнению с металлом, который заканчивается в более быстрое время отклика и упрощает сигнал, обусловливающий [4]. Наряду с емкостными датчиками, у кремниевых резонансных датчиков как правило есть температурные ошибки несколько порядков величины ниже чем обычные датчики, основанные на другом ощущении принципа (то есть пьезорезистивный).

Рисунок 2. Поперечная схематическая диаграмма (A–A от рисунка 1) нескрытого датчика давления с интегрированными электродами под оказанное давление P1 (P1 P2). Выпуклость мембран еще далее за пределы как P1 увеличивается.

Более ранний зависимый от формы резонансный датчик давления

был разработан основанный на структуре двойной диафрагмы [3, 5]. Основанный на форме датчик отличается от класса тензометр-на-основе резонансных датчиков. Основанный на форме датчик меньше под влиянием внешних напряжений (то есть подчеркивает из-за упаковки или материальной концентрации допинга) чем основанный на напряжении класс датчиков. У ранее представленного датчика формы была чувствительность давления 75 ppm mbar−1, фактор Q приблизительно 2600, и очень низкая температурная чувствительность (+1.3 ppm ◦C−1) [5]. Некоторые из недостатков этого датчика включают это, он испытывает недостаток в любом типе герметизации или интегрированной техники возбуждения/обнаружения, так же как быть очень большим в размере и хрупкий. Датчик, представленный в этой газете, улучшает предыдущий дизайн и является полностью заключенной в капсулу партией. Техника герметизации и новый дизайн датчика противодействуют механическим эффектам демпфирования. Уникальная техника возбуждения/обнаружения (известный как 'разорвано'), где возбуждение и обнаружение отчетливо отдельные вовремя, используется [6]. Метод для того, чтобы измерить давление также отличается от предыдущего датчика с точки зрения того, куда опорное давление помещено. Кроме того у этого есть меньшие измерения и улучшенная работа, которая будет обсуждена далее в этой статье.

2.Принцип операции Датчик состоит из приостановленной, уравновешенной, кремниевой структуры, которая электростатически взволнована в резонанс. Датчик разработан, чтобы колебаться в уравновешенном способе, где смежные углы колеблются в противофазах, чтобы минимизировать потери механической энергии. Рисунок 1 показывает трехмерное (трехмерное) представление резонирующей структуры.Резонирующий элемент состоит из двух параллельных диафрагм, соединенных вместе в их периметрах, формируя капсулу с четырьмя входными портами давления, которые также действуют как четыре луча поддержки к внешней структуре [5]. Электростатическое возбуждение и емкостное обнаружение происходят по поднятым углам и приобщают приостановленную структуру к колебанию. Датчик воздействует на принцип, что как прикладное пневматическое давление в колеблющейся капсуле (который окружен на внешней стороне близким вакуумным опорным давлением) изменения, форма датчика изменена и, таким образом, ее изменения чопорности. Впоследствии, увеличения резонансной частоты или уменьшения в зависимости от формы датчика. Это в отличие от предыдущих основанных на форме датчиков, которые измеряют окружающее давление, окружающее вибрирующую капсулу в то время как содержащий вакуумное давление в капсуле [5]. Дизайн в настоящее время представляемого датчика уменьшает эффекты демпфирования, сохраняя способность измерить абсолютное давление. Так как датчик и сделан просто монокристаллического кремния и имеет продукцию, которая просто зависит от формы резонатора, проблем из-за эффектов расслабления избегают. Рисунок 2 показывает поперечное сечение полностью скрытой структуры с внешними электродами и суммирует принцип операции.

3. Герметизация

Проектируя герметизацию для резонансной структуры,

несколько факторов нужно рассмотреть, включая который это должное

не ограничивают движение структуры и работу.

Герметизация часто вводит демпфирование сжатого фильма

между колеблющейся структурой и постоянным

стена герметизации [7]. Две стеклянных крышки были анодным образом

сцеплялся в низком давлении со структурой поддержки кремния

датчик и форма низконапорная впадина, где ощущение

капсула может колебаться свободно. Представленный датчик был

полностью заключенный в капсулу на уровне вафли партии и объединяется

намеченная техника возбуждения/обнаружения непосредственно на

устройство. Дизайн позволяет возбуждение/обнаружение

электроды, которые будут помещены любая внутренняя или внешняя часть

герметизация, таким образом позволяя оба метода быть

оцененный. Есть несколько преимуществ для этого текущего метода герметизации включая это, низконапорная внутренняя впадина позволяет высокий фактор Q. Электроды очень доступные, и весь датчик становится очень модульным, в котором датчик становится защищенной единицей, которая может быть легко объединена с внешней схемой и может быть проверена в различной окружающей среде [7]. Это также показали, используя резонирующий испытательные структуры, что структурный фактор Q увеличивается когда заключено в капсулу (замеченный в низких давлениях герметизации) по всей вероятности из-за сокращения потерь энергии в структуре [7].

4. Теория и дизайн

4.1. Способы колебания

Резонирующая структура может быть взволнована в несколько способов колебания. Колебание в уравновешенном способе приводит к более высокому фактору Q начиная с результирующих сил, и моменты уравновешиваются, таким образом минимизируя потери энергии. Датчик был разработан, чтобы колебаться в наиболее уравновешенном способе (противоположные углы в фазе) изображенный на рисунке 3.

4.2. Q фактор

Фактор Q резонирующей структуры является мерой полной энергии системы за цикл, по сравнению с потерями энергии резонирующей структуры и является мерой решения структуры и краткосрочной стабильности [5]. Ahigh Q позволяет с высоким разрешением и упрощает кругооборот возбуждения/обнаружения, в котором небольшая энергия обязанная держать резонанс в постоянной амплитуде [8]. Факторами, которые ухудшают фактор Q, является вязкое и акустическое демпфирование, структурная неустойчивость, и внутренние потери в кремнии [9]. Элемент ощущения сделан просто монокристаллического кремния, который отдает его механически устойчивый (низкие внутренние потери), и резонатор работает в уравновешенном способе (поддержанный в его узлах), который делает его

фактически расцепленный от его структуры поддержки (низко структурный

неустойчивость). Поэтому, вязкие и акустические потери

ограничивающий фактор для полного Q представленного резонирования

структура [3]. Главный компонент акустического демпфирования для представленного датчика давления является эффектом так называемого демпфирования сжатого фильма на потере энергии резонатора [5, 7]. Сжимаемый воздушный фильм между двумя пластинами, перемещающимися в нормальное относительное движение (одна подвижная пластина и одна постоянная пластина), приводит к распределению давления по подвижной плите [10]. Силу полного давления, выступающую против движения поверхности, называют демпфированием сжатого фильма. Когда промежуток маленький по сравнению с накладывающимися областями, давление между пластинами быстро увеличивается, приводя к очень высокому сопротивлению, чтобы двинуться. Демпфирование сжатого фильма может быть минимизировано герметизацией в низком давлении и при наличии большого промежутка между подвижными и постоянными пластинами [7]. Главный вклад демпфирования, как предполагается, происходит в

углы резонатора, так как это - то, где у резонатора есть самая большая амплитуда. Поэтому, антидемпфирование отверстий может быть разработано в каждом углу резонатора, чтобы далее уменьшить сжатый фильм, заглушающий [5]. Мы предполагаем, что эти углы перемещаются в нормальное относительное движение к постоянной стене герметизации. Чтобы определить число и размер антидемпфирования отверстий, которые будут использоваться для датчика, выражение для фактора Q с точки зрения числа отверстий за угол, N, и стенное расстояние герметизации резонатора, h, было получено, используя простую модель квадратной пластины, резонирующей в воздухе [5, 11]. Модель принимает только энергию вибрации, и потери, связанные с четырьмя угловыми областями резонатора, способствуют фактору Q [5]. Емкость между каждым электродом и углом резонатора была разработана, чтобы быть в a

обнаружимый диапазон, используя внутренние электроды и обычный кругооборот измерения (∼1 pF). Угловые области резонатора были сохранены постоянными и расстояние между углом резонатора, и стена герметизации была выбрана, чтобы быть 30 μm (еще большее расстояние может быть выбрано, чтобы далее уменьшить сжатый фильм, заглушающий эффекты [7]). Представленный датчик заключен в капсулу в низком давлении (приблизительно 1 mbar [7]) в противоположность предыдущему не скрытому датчику формы. Поэтому, зависимость давления вязкости воздуха нужно также рассмотреть [7]. После включая это в модели, фактор Q, как находят, обратно пропорциональный к зависимой от давления вязкости воздуха.

где ηeff - зависимая от давления эффективная вязкость газа. Приближение для ηeff может быть написано как [7]

где η0 является коэффициентом вязкости газа в атмосферном давлении, P0, и Kn является числом Нутсена, которое зависит от среднего свободного пробега газовых молекул [7]

где λ является средним свободным пробегом, и h является стенным расстоянием герметизации резонатора. Средний свободный пробег является иждивенцем давления. Для маленьких ценностей h и в низком давлении, средний свободный пробег сопоставимый в размере со стенным расстоянием герметизации резонатора. Средний свободный пробег может быть выражен как [7]

где λ0 является средним свободным пробегом в давлении P0 (λ0 = 70 ×

10−9 м. в атмосферном давлении), и P2 является давлением герметизации (см. рисунок 2). Объединение уравнений (1) – (3) результаты в следующем

В давлениях герметизации вокруг атмосферного давления,

небольшие изменения в этом давлении не очень влияют на фактор Q, так как ηeff эффективно постоянный в этих давлениях, как может быть замечен в уравнении (5). Однако, для маленьких давлений ηeff приблизительно непосредственно пропорциональный давлению герметизации и резонатору в герметизации стенное расстояние, см. уравнение (5). Поэтому, изменения в результате давления герметизации в обратно пропорциональном изменении в расчетном факторе Q, см. уравнение (1). После принятия во внимание полной модели сжатого фильма и зависимой от давления вязкости воздуха, может быть подготовлен фактор Q, как может быть замечен на рисунке 4. Рисунок 4 показывает отношение между фактором Q и числом антидемпфирования отверстий для самого маленького разработанного датчика (5-миллиметровая мембранная ширина) заключенный в капсулу в 1 mbar и 2 mbar. Как может быть замечен, очень небольшое абсолютное изменение в давлении герметизации приводит к существенному изменению теоретической кривой фактора Q. Один датчик был разработан с шестью отверстиями антидемпфирования, соответствуя самому большому теоретическому фактору Q как замечено на рисунке 4. Справочный датчик, без любых отверстий антидемпфирования, был также разработан, имея ту же самую угловую область электрода. Более крупный датчик (10-миллиметровая мембранная ширина) был также разработан с 10 отверстиями антидемпфирования.

Рисунок 4. Теоретический фактор Q против числа отверстий за угол для двух давлений герметизации для самого маленького датчика (мембранная ширина 5 мм, стенное расстояние герметизации резонатора 30 μm). Заштрихованная площадь показывает изменение в теоретическом Q для очень мелочи в давлении герметизации (от 1 mbar до 2 mbar).

4.3. Чувствительность давления

Поперечное сечение капсулы ощущения может быть смоделировано как тонкостенный луч. Поэтому, резонансная частота может быть выражена как [12]

где L - длина (ширина) квадратной мембраны, A - скрытая область, E - Модуль Юнга эластичности кремния, t - мембранная толщина, Ip - полярное, момент инерции поперечного сечения об оси скрученности, ρ - плотность кремния, S - периметр скрытой области, и ν - Коэффициент поперечного сжатия для кремния. Чувствительность давления может быть найдена, беря логарифм уравнения (6) и дифференцируясь относительно перепада давления. Получающееся нелинейное выражение во власти термина, связанного с поперечным, резонатора, и имеет форму [11]

где A является площадью поперечного сечения капсулы ощущения, и Фунт является перепадом давления через мембрану ощущения. Термин 1/A больше для меньшей поперечной краткой области, в то время как изменение в площади поперечного сечения для разнообразия в давлении равное для структуры с большой или маленькой площадью поперечного сечения. Поэтому, чтобы увеличить чувствительность давления этого устройства, по сравнению с ранее представленным датчиком, толщина мембран капсулы ощущения была уменьшена (приводящий к большему ∂A). Мембраны были также расположены (то есть приближены вместе), производство меньшей внутренней поперечной капсулы, который одобряет чрезвычайно давление чувствительная структура (меньший A). Этот расположенный дизайн также уменьшает область, способствующую демпфированию сжатого фильма. Рисунок 5 сравнивает предыдущий дизайн датчика давления с улучшенным, больше давления чувствительный дизайн, используемый в текущем датчике давления.

Рисунок 5. Поперечное представление поддержки развивается и внешняя часть капсулы замера давления для ранее представленного датчика [4] (a) и новый улучшенный дизайн (b).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]