传感器[发明专利]

*CN102439407A*

(10)申请公布号 CN 102439407 A(43)申请公布日 2012.05.02

(12)发明专利申请

(21)申请号 201080023153.8(22)申请日 2010.04.19(30)优先权数据

0908795.8 2009.05.21 GB(85)PCT申请进入国家阶段日 2011.11.21

(86)PCT申请的申请数据

PCT/US2010/031550 2010.04.19(87)PCT申请的公布数据

WO2010/135048 EN 2010.11.25(71)申请人通用电气基础设施传感公司

地址美国马萨诸塞州(72)发明人P·金奈尔 R·W·克拉多克(74)专利代理机构中国专利代理()有限公

司 72001

代理人张金金 朱海煜(51)Int.Cl.

G01L 7/08(2006.01)

()发明名称

传感器(57)摘要

提供传感器，其具有膜片。该膜片的一侧设置成暴露于流体以测量该流体的特性。两个支架安装在该膜片上并且在该支架上提供谐振器。能量从该谐振器转移到该膜片的比例由于该传感器要用作黏度/密度传感器或用作压力传感器而能变化。

权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 5 页

CN 102439407 ACN 102439407 ACN 102439417 A

权 利 要 求 书

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1.一种传感器，其包括：

膜片，其一侧设置成暴露于介质；

安置在所述膜片上的一个或多个支架；和在所述一个或多个支架上提供的谐振器，其中能量从所述谐振器转移到所述膜片的比例是能变化的。

2.如权利要求1所述的传感器，其中能量转移的所述比例设置成通过改变所述谐振器和所述一个或多个支架之间的机械耦合而能变化。

3.如权利要求2所述的传感器，其中所述谐振器和所述一个或多个支架之间的所述机械耦合在电信号控制下能变化。

4.如权利要求1-3中任一项所述的传感器，其中能量转移的所述比例设置成通过启动致动器而变化。

5.如权利要求4所述的传感器，其中所述致动器设置成拉伸所述谐振器的一部分。6.如权利要求2或3所述的传感器，其中所述谐振器包括至少两个梁并且所述机械耦合设置成通过操作所述谐振器使得所述梁被选择成同相或异相振动而变化。

7.如权利要求1-6中任一项所述的传感器，其进一步包括用于当所述膜片暴露于所述流体时基于所述谐振器的所述移动的测量来确定暴露于所述膜片的流体的特性的控制器。

8.如权利要求1-7中任一项所述的传感器，其中所述介质只暴露于所述膜片的一侧并且所述一个或多个支架和谐振器在所述膜片的对侧上。

9.如权利要求1-8中任一项所述的传感器，其中至少两个支架的每个安装在分离的膜片的第一侧上，其中每个膜片的第二对侧设置成暴露于相同的流体，该流体的黏度是要测量的。

10.一种操作传感器用于选择性地感测介质的黏度/密度或压力的方法，所述传感器包括设置成暴露于所述介质的膜片、安装在所述膜片上的一个或多个支架和在所述一个或多个支架上提供的谐振器，所述方法包括：

选择从所述谐振器转移到所述膜片的能量的比例，这取决于要感测所述介质的黏度/密度还是压力。

11.如权利要求10所述的方法，其中当感测所述介质的黏度/密度而不是感测所述介质的压力时，选择从所述谐振器转移更多的能量到所述膜片。

12.如权利要求10或权利要求11所述的方法，其中能量转移的所述比例通过调整所述谐振器和所述支架之间的机械耦合而变化。

13.如权利要求10-12中任一项所述的方法，其中能量转移的所述比例通过启动致动器而变化。

14.如权利要求10-13中任一项所述的方法，其中所述谐振器包括至少两个梁并且能量转移的所述比例通过操作所述谐振器使得所述梁被选择成同相或异相振动而变化。

15.一种大致上如在上文中参照附图描述的传感器。

16.一种大致上如在上文中参照附图描述的那样操作传感器的方法。

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CN 102439407 ACN 102439417 A

说 明 书传感器

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技术领域

[0001]

本发明涉及传感器，特别是设置成测量流体的超过一个特性的传感器。

背景技术

微机械硅传感器已知用于测量流体的特定特性。例如美国6 269 686公开了具有设置成测量介质的黏度和密度的压电谐振器的微机械传感器。美国5 101 6公开了具有设置成测量流体压力的振动桥的微机械硅传感器。[0003] 然而，微机械黏度和压力传感器由于它们操作的方法不同而具有明显的差异。黏度传感器设计成将相对大量的能量从谐振器传递进入介质来增加黏度灵敏度，而压力传感器设计成将尽可能少的能量从该谐振器传递进入该介质来增加压力灵敏度。[0004] 具有能够感测黏度和/或压力的传感器使得不需要多个传感器，这将是可取的。

[0002]

发明内容

根据本发明的第一方面，提供有传感器，其包括：[0006] 膜片，其的一侧设置成暴露于介质，[0007] 安置在该膜片上的一个或多个支架，和[0008] 在该一个或多个支架上提供的谐振器，其中能量从该谐振器转移到该膜片的比例是能变化的。

[0009] 因为能量从谐振器转移到膜片的量是能调整的，可以改变该量来增加能量传递进入介质的量用于感测黏度，或可调整其来减少能量传递进入介质的量用于感测压力。[0010] 能量转移的比例可通过调整谐振器和膜片之间的机械耦合而变化，例如通过启动致动器以在物理上更改或拉伸谐振器或采用不同的方式选择性地操作谐振器。

[0011] 可提供控制器用于当膜片暴露于流体时基于激发的谐振器的移动来确定介质的黏度或压力。[0012] 可使用“微加工”工序(其选择性地将晶片的部分蚀刻去掉)在晶片(例如，硅晶片)上制造膜片、支架和谐振器。由这样的制造技术形成的装置可称为微机械或“微机电系统”(MEMS)。膜片、支架和谐振器可仅是几毫米跨度(例如5毫米、3毫米或甚至1毫米跨度)，这使它们能够用于从非常小的样本中确定流体的黏度或压力。[0013] 谐振器可在与在检测中的介质相对的膜片侧上，来保护其免于遭受由介质引起的损坏、磨损、腐蚀等，否则介质可影响或损坏敏感部件。传感器从而是耐用的。[0014] 根据本发明的第二方面，提供有操作传感器用于选择性地感测介质的黏度/密度的方法，该传感器包括设置成暴露于该介质的膜片、安装在该膜片上的一个或多个支架和在这些支架上提供的谐振器，该方法包括选择能量从该谐振器转移到该膜片的比例，这取决于要感测该介质的黏度/密度还是压力。

[0005]

附图说明

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CN 102439407 ACN 102439417 A[0015]

说 明 书

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现在将仅通过示例参照附图描述本发明的实施例，其中：[0016] 图1示出图示本发明的传感器的侧视图；

[0017] 图2示出在图1中示出的传感器的膜片和谐振器的透视图；[0018] 图3示出在图1和2中示出的谐振器的顶视图，其中谐振器的移动由虚线图示；以及

[0019] 图4至6图示说明本发明的传感器的另外的实施例，该传感器设置成减小处于检测的流体的压力对黏度测量的影响。

具体实施方式

[0020] 图1图示具有膜片20的传感器10，该膜片20具有第一侧21，在使用中该第一侧21暴露于流体30，该流体30的特性是要测量的。两个支架40或“台面”安装在与流体30暴露到的那侧对着的膜片20的第二侧22上。在这些支架40上提供谐振器50，其在该示例中包括随后更详细说明的一个或多个梁。能量从该谐振器50转移到该膜片20的量是能变化的以增加能量传递进入介质的量以用于感测黏度或减少能量转移的量用于感测压力。改变能量转移的量的各种方法随后更详细地论述。

[0021] 围绕支架40和谐振器50提供外壳11并且在该示例中提供由该外壳11和膜片20界定的真空腔12。谐振器20的振动典型地使用例如静电梳状驱动器、磁力驱动器、压电驱动器或本领域内众所周知的类似物(未示出)经由AC驱动信号由合适的电输入驱动。还提供来自谐振器的电输出，谐振器的振动变化可从该电输出确定，并且暴露于膜片的第一侧21的流体的黏度/密度或压力可使用例如微处理器或合适的电子电路或逻辑等合适的控制器来推断。

[0022] 如可以从为了清楚在图1中提供的放大示例中看到的，谐振器50在使用期间的移动在谐振器50中引起弯矩51，其在支架40上产生反作用力，该反作用力进而使膜片20挠曲。当更多的能量从谐振器50转移到膜片20时，膜片20以与谐振器50的频率相似的频率振动并且它经历更大的挠曲，这导致更多的能量转移到流体并且产生更好的黏度和密度测量。膜片20在检测中的流体30中的移动(由箭头23图示)引起从谐振器50的能量损失并且因此减小谐振器品质因子。通过监测谐振器的品质因子，可确定流体的黏度。介质的黏度可在控制器(例如微处理器)中使用来自已知黏度的流体的结果基于先前的品质因子校准而确定。黏度可例如使用合适的算法或通过使用查找表推断。密度可另外或备选地通过监测谐振器的谐振频率测量。这将由于加载到膜片20上的质量(其有效地增加谐振器的质量)而改变。介质的密度可在控制器(例如微处理器)中确定。[0023] 当测量在检测中的流体30的压力时，操作谐振器使得更少的能量从谐振器50转移到膜片20。因此，远更少的能量转移到流体30并且因为流体的压力不受膜片移动的影响而获得更精确的压力测量。压力典型地由使膜片20(其拉伸谐振器50，这改变该谐振器50的振动频率)弯曲的流体施加的压力推断。通过测量合成频率，对膜片20作用的流体30的压力在控制器(例如微控制器)中推断，典型地经由适当的算法或查找表。[0024] 图2图示谐振器50、支架40和膜片20的第二侧22的透视图。如可以看到的，在该示例中谐振器50包括两个谐振器梁52，每个在任一端上由在支架40的每个上提供的垂直安装部分53支撑。已经发现谐振器(特别是梁52或安装部分53)的物理性质变化使在

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说 明 书

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谐振器梁52和支架40之间的机械耦合改变，这进而影响支架40上的弯矩51和从谐振器50转移到膜片20的能量。使用一个或多个致动器，谐振器可被拉伸来调整能量转移。这些致动器可例如是热致动器，其拉伸安装部分53以调整谐振频率，使该谐振频率向更接近膜片20的频率移动并且因此增加从谐振器50转移到膜片20和流体30的能量，这当用作黏度传感器时增加灵敏度。已经发现当相对大量的能量从谐振器转移到流体30时，传感器提供高的灵敏度用于在感测低黏度流体(例如气体)的黏度中使用。致动器可以是例如热致动器、压电致动器或静电致动器。垂直安装部分53的宽度W可以例如由致动器或另一个致动器备选地或另外地改变以影响弯矩51以及进而影响从谐振器转移的能量来提供更好的黏度灵敏度。

[0025] 图3示出谐振器50的顶视图，其进一步图示支架40由于谐振器梁52的移动而经受的反作用力。谐振器梁52由合适的驱动信号(其由箭头F图示)驱动到由虚线代表的位置。谐振器梁52的移动在垂直安装部分53中引起反作用力矩M，其使支架40的固定位置移动，如也由虚线示出的。如先前解释的，支架40上的这些力矩M和反作用力R使膜片挠曲。

[0026] 谐振器梁52在图3中示出为在相反或反相位的方向上移动，这减少能量转移进入膜片20和流体30的量用于用作压力传感器。然而，如果梁52同相移动，那么这增加谐振器50和膜片20之间的耦合力，使谐振器50的频率更接近膜片20的频率并且传递更多的能量进入膜片和流体用于对黏度和密度更大的灵敏度。[0027] 图4至6图示传感器的设置，其减小对膜片的压力灵敏度的影响，提供甚至更精确的黏度测量。如可以看到的，图4至6的实施例包括在分离的膜片24、25上提供的两个支架40中的每个，其中每个膜片24、25暴露于相同的在检测中的流体30。谐振器50由支架40支撑并且像之前那样自由振动。提供两个膜片24、25抵消在检测中的流体的压力对膜片的影响。例如，如在图5中图示的，在检测中的流体30可使膜片24、25拉伸，这导致由压力引起的支架40的转动。因为压力的影响同等地施加到两个膜片24、25的每个，谐振器50由膜片24、25的每个同等地提升，如在图5中示出的，这消除在检测中的流体的压力影响使得因而发生的测量指示流体的黏度而不是压力。从而，获得远更精确的黏度测量。[0028] 图6图示膜片挠曲，其将由于谐振器50设置成转移大比例的能量到膜片24、25用于黏度/密度测量而形成。谐振器50引起的传递到支架40上的反作用力使膜片24、25形成“S”型，其在黏性介质中移动以减小谐振器Q因子，黏度测量可由此推断。

[0029]

可对上文描述的示例做出许多改动而不偏离本发明的范围。例如，能量转移到膜片的比例可使用例如热、静电或压电致动器等合适的致动器和/或通过使谐振器的梁大致上同相或异相振动而推断。

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说 明 书 附 图

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图1

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说 明 书 附 图

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图2

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说 明 书 附 图

图3

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说 明 书 附 图

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图4

图5

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说 明 书 附 图

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图6

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