ITMI962268A1

ITMI962268A1 - Dispositivo per la misura di una pressione

Info

Publication number: ITMI962268A1
Application number: IT96MI002268A
Authority: IT
Inventors: Bortoli Eros De
Original assignee: Abb Kent Taylor Spa; Consorz Abb Sviluppo Tecnol
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 1998-05-01
Also published as: DE69714204T2; US5969257A; DE69714204D1; IT1287123B1; EP0855583B1; EP0855583A2; EP0855583A3

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo: "Dispositivo per la misura di una pressione"

Riassunto del trovato

Dispositivo perfezionato per la misura di pressioni comprendente una membrana o diaframma di silicio (1) esposto sulle due facce a due pressioni (PI, P2) di cui si vuole misurare la differenza. Su una faccia del diaframma, trattato mediante attacco chimico selettivo, è previsto un elemento risuonatore (2), meccanicamente vincolato al diaframma, così che la sua frequenza di risonanza vari a seguito della deformazione subita dal diaframma.

(Figura 1).

Descrizione del trovato

La presente invenzione riguarda la misura di pressioni in campo industriale.

Le misure di pressione sono estesamente impiegate nella strumentazione di processo e nei sistemi di controllo.

Sono noti sensori che utilizzano le variazioni della frequenza di risonanza di una struttura già posta in oscillazione a causa delle deformazioni elastiche provocate da grandezza meccaniche esterne quali forza, accelerazione, pressione, ecc., anche di modo differenziale.

I noti sensori a risonanza non permettono di ottenere prestazioni elevate in termini di risoluzione.

Inoltre tali sensori hanno costi elevati e presentano difficoltà di costruzione considerevoli a causa del complesso sistema di eccitazione dell'elemento risonante e di rilevamento del segnale.

Infine, tali sensori richiedono un sistema di protezione per le sovrappressioni, esterno al sensore stesso, che è in generale molto complesso e di difficile realizzazione.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di misura di pressione, perfezionato rispetto agli inconvenienti sopra illustrati della tecnica anteriore.

Questi scopi vengono conseguiti mediante l'invenzione che consiste in un dispositivo avente le caratteristiche esposte nella rivendicazione 1.

Ulteriori vantaggiose caratteristiche formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Secondo l'invenzione, l'elemento risonante o risuonatore è ricavato sulla superficie superiore di un diaframma di silicio che viene ottenuto mediante microlavorazione (micromachining).

Lavorando in modo opportuno una struttura di silicio, l'invenzione consente di superare le difficoltà di fabbricazione della tecnica anteriore e di ottenere una produzione in serie su un wafer di silicio del diaframma sensibile alla pressione. Inoltre, il sistema di eccitazione del risuonatore e la circuiteria di elaborazione dei segnali possono essere integrati direttamente sulla medesima struttura di silicio.

Inoltre, secondo l'invenzione, sulla membrana di silicio può essere integrato un ulteriore elemento sensibile (basato sullo stesso, oppure su un diverso principio) in grado di misurare la pressione di modo comune applicata alla membrana.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni allegati, relativi a forme realizzative preferite ma non limitative dell'invenzione, ed in cui:

la figura 1 illustra schematicamente la struttura di un sensore di pressione secondo l'invenzione;

la figura 2 illustra una forma realizzativa preferita del sensore di pressione secondo l'invenzione;

la figure 3 mostra più dettagliatamente il diaframma e il risonatore;

la figura 4 mostra in prospettiva un risonatore di tipo DETF;

la figura 5 mostra una variante preferita del risonatore DETF;

la figura 6 è una vista in pianta che illustra alcuni possibili posizionamenti del risonatore e/o dell'elemento sensibile alla pressione di modo comune sul diaframma; e la figura 7 è una vista in pianta che illustra schematicamente i sistemi di eccitazione e rilevamento. Nelle figure, gli stessi riferimenti numerici sono utilizzati per contraddistinguere componenti uguali o sostanzialmente corrispondenti.

Con riferimento alla figura 1, il sensore secondo l'invenzione comprende un involucro 10 preferibilmente metallico, ad esempio cilindrico, che ospita una membrana o diaframma 1 atto ad essere esposto alle due pressioni PI, P2 di cui si vuole misurare la differenza. L'involucro 10 è dotato di una base 11 e di una chiusura o coperchio 9, su cui può essere formata una eventuale apertura 13 per l'accesso al diaframma da parte di una delle pressioni (PI in figura).

Dalla base 11 dell'involucro si innalza un sostegno o montante 12, preferibilmente in silicio, su cui è montato il diaframma 1 che ospita un elemento risonante 2 . All'interno del montante 12 è definito un canale 14 per esporre la superficie inferiore del diaframma 1 all'altra delle due pressioni (P2 in figura).

Come verrà illustrato più dettagliatamente con riferimento alla figura 3, il diaframma 1 è costituito da una piastrina di silicio opportunamente lavorata, e l'elemento risonante 2 è ricavato in corrispondenza di una delle due superfici del diaframma. Per realizzare un isolamento dalla pressione di modo comune, si possono prevedere dei rinforzi, indicati con 15, 16, 17 e 18, fissati sia al montante 12 che alla struttura esterna.

Con riferimento anche alla figura 3, in assenza di sollecitazione di pressione sulle facce, ossia quando le pressioni su entrambe le facce del diaframma 1 sono uguali, un elemento risonatore 2 può essere posto in vibrazione con un sistema di eccitazione opportuno, e presenta una propria frequenza di risonanza. L'elemento risonatore può essere formato, ad esempio, da una semplice barretta fissata con le sue estremità al diaframma.

Quando le due facce del diaframma sono esposte a pressioni diverse PI e P2, esso si inflette, verso l'alto o verso il basso, in funzione della differenza tra le pressioni. In queste condizioni, tramite i vincoli con la membrana, il risonatore 2 viene sottoposto a deformazioni elastiche (ossia non permanenti) di compressione o trazione, e la sua frequenza di risonanza varia.

Per evitare fenomeni di smorzamento, l'elemento risonatore 2 è montato in corrispondenza di una delle facce di detto diaframma, in una cavità 7 formata su una delle due facce, e tale cavità è mantenuta sotto vuoto, o comunque ad una pressione non superiore a 10-2 Tor. Il risonatore 2 viene ricavato dal diaframma 1, mantenendo le sue estremità vincolate al diaframma, e la cavità 7 è chiusa ermeticamente (sotto vuoto o comunque a bassissima pressione) da uno strato di silicio 8 che si estende preferibilmente sull'intera superficie corrispondente del diaframma.

La forma realizzativa illustrata schematicamente in figura 2 incorpora aggiuntivamente una protezione nei confronti delle sovrappressioni. Il risonatore 2 è più sensibile nei confronti delle compressioni, ed una eccessiva differenza di pressione (sovrappressione) quando PI > P2 potrebbe causarne la rottura (Buckling).

Secondo la costruzione illustrata in figura 2, per limitare l'inflessione del diaframma, quest'ultimo è dotato di un risalto centrale o arresto 23 sporgente dalla superficie inferiore 3 del diaframma 1, atto ad andare in battuta contro un substrato 21 inserito tra il montante 12 e il diaframma. Superiormente, tale substrato è unito al bordo del diaframma tramite uno strato 25 di materiale isolante (preferibilmente ossido di silicio SiO2)' mentre inferiormente il substrato 21 è applicato sul montante tramite uno strato anulare 24 di materiale isolante (preferibilmente pyrex).

Preferibilmente, il risalto 23 viene realizzato integralmente con il diaframma 1. Le dimensioni del risalto vengono scelte in modo da non alterare apprezzabilmente le caratteristiche di deformazione elastica del diaframma. Il substrato 21 è relativamente rigido e dotato di un foro 22 per mantenere la faccia inferiore del diaframma in comunicazione con il canale 14. Perifericamente, la superficie di arresto del risalto 23 giace in un piano parallelo al piano della membrana ed al piano del substrato 21.

La figura 4 mostra la struttura di un risonatore 2 secondo l'invenzione che è formato da un risonatore bilanciato, in grado di minimizzare le reazioni vincolari dovute alle oscillazioni del risuonatore, riducendo così l'effetto degli smorzamenti in corrispondenza dei punti di vincolo tra risonatore e diaframma. Tale risonatore è formato da due rebbi o bracci 21, 22 paralleli collegati alle estremità, noto come DETF (Doublé Ended Tuning Fork), e di cui vengono utilizzate le vibrazioni laterali, ossia quelle perpendicolari al movimento del diaframma e indicate dalle frecce F in figura 4.

Nel risonatore bilanciato, i rebbi 21, 22 vibrano in controfase e, alle estremità vincolate 24, le reazioni al moto dei due rebbi si compensano parzialmente con una conseguente minore dissipazione di energia rispetto al caso di un singolo rebbio vibrante. La struttura bilanciata consente inoltre diversi ulteriori vantaggi, quali una maggiore stabilità rispetto a influenze esterne, una maggior risoluzione, ed anche la riduzione dell'effetto delle derive a lungo termine.

Vantaggrosamene, come mostrato nella forma realizzativa preferita in figura 5, il risonatore DETF è configurato in modo da prevedere, a ciascuna estremità, due sporgenze laterali 25 e una porzione di collegamento 26, rispettivamente più larghe e più strette della porzione centrale del risonatore.

E' naturalmente possibile impiegare risonatore con tre o più rebbi paralleli.

Preferibilmente, come illustrato in figura 6, il risonatore 2 può essere ricavato in varie posizioni all'interno del diaframma per ottenere una sensibilità ottimale. Più precisamente, secondo una prima forma realizzativa 2B, esso può essere posizionato sostanzialmente nel centro del diaframma e parallelamente al piano del diaframma stesso, per ottenere una massima sensibilità. Secondo un'altra forma realizzativa indicata con 2A in figura 6, il risuonatore può essere ricavato (o comunque posizionato) in corrispondenza del bordo del diaframma. Questa forma realizzativa presenta una minore sensibilità, ma tuttavia offre il vantaggio di una limitazione nei confronti degli effetti derivanti dalle sovrappressioni.

Inoltre, secondo l'invenzione, sulla membrana di silicio può essere integrato un ulteriore elemento sensibile, non necessariamente realizzato in modo analogo e secondo il principio descritto precedentemente, che consente di misurare la pressione di modo comune applicata alla membrana.

Il dispositivo prevede inoltre un sistema di eccitazione per generare le oscillazioni del risuonatore, e un sistema di rilevamento delle medesime.

Nella forma realizzativa illustrata schematicamente in figura 7, i sistemi di eccitazione e rilevamento sono di tipo elettrostatico o piezoelettrico, e prevedono due armature o elettrodi 27 e 28, disposti parallelamente ai bracci 21 e 22 del risuonatore, ed isolati dal risuonatore stesso tramite strati isolanti 29 e 30.

L'invenzione è stata descritta con riferimento a forme realizzative particolari e preferite, tuttavia essa non è limitata a quanto descritto, ma si estende a coprire le varianti e modifiche che risulteranno evidenti al tecnico del settore.

Claims

Rivendicazioni 1. Dispositivo a risonanza per la misura di una pressione, comprendente un diaframma (1) montato all'interno di un involucro (10) ed esposto sulle due facce a due pressioni (PI, P2) di cui si vuole misurare la differenza, caratterizzato dal fatto che detto ·diaframma è formato da una membrana di silicio (1), e che un elemento risonatore (2) è meccanicamente vincolato a detto diaframma, il dispositivo comprendendo inoltre mezzi di eccitazione per generare le oscillazioni del risuonatore, e mezzi di rilevamento delle medesime.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto diaframma (1) è ricavato integralmente da una lamina di silicio mediante lavorazione.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto risonatore (2) è ricavato integralmente dalla stessa lamina di silicio da cui è ricavato il diaframma.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto risonatore (2) è alloggiato in una cavità (7) o collegato meccanicamente al diaframma (1) con le sue estremità.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la pressione all'interno di detta cavità (7) e inferiore a 10 Tor.
6. Dispositivo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto diaframma (1) è montato su un sostegno o montante (12) che si innalza dalla base (11) dell'involucro (10), e che all'interno di detto montante (12) è formato un canale (14) per esporre una faccia del diaframma (1) ad una delle dette due pressioni (PI, P2).
7. Dispositivo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto montante (12) presenta dei rinforzi (15, 16, 17, 18) che sono fissati al montante stesso (12) e all'involucro (10), così da realizzare un isolamento nei confronti della pressione.
8. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che detto risonatore (2) è formato da un singolo elemento allungato.
9. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che detto risonatore (2) è formato da almeno due rebbi o bracci paralleli (21, 22) collegati alle estremità.
10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto risonatore (2) prevede due bracci (risonatore DETF) ed è configurato .in modo da prevedere a ciascuna estremità due sporgenze laterali (31) e una porzione di collegamento (32), rispettivamente più larghe e più strette della porzione centrale del risonatore (2).
11. Dispositivo secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto risonatore (2B) è posizionato sostanzialmente al centro del diaframma (1).
12. Dispositivo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto risonatore (2A) è posizionato in corrispondenza del bordo del diagramma (1).
13. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 8 a 12, caratterizzato dal fatto di comprendere un ulteriore elemento sensibile per la misura di pressione di modo comune.
14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che il detto ulteriore elemento sensibile è di tipo piezoelettrico o capacitivo.
15. Dispositivo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di prevedere un substrato (21) inserito tra il detto montante (12) e il diaframma (1), e dal fatto che detto diaframma (1) è dotato di un risalto centrale (23), relativamente rigido e sporgente dalla superficie del diaframma, atto ad attestarsi contro il detto substrato (21) per limitare l'inflessione del diaframma.
16. Dispositivo secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detto substrato (21) è dotato di un foro (22) per mantenere la faccia inferiore del diaframma in comunicazione con il canale (14).
17. Dispositivo secondo la rivendicazione 15 o 16, caratterizzato dal fatto che detto substrato (21) è superiormente unito al bordo del diaframma (1) tramite uno strato (25) di materiale isolante, e che inferiormente tale substrato (21) è applicato sul montante (12) tramite un ulteriore strato di materiale isolante (24).
18. Dispositivo secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detto risalto (23) viene realizzato integralmente con il diaframma (1) e che la superficie di arresto del risalto giace in piano parallelo alla superficie del diaframma (1) e alla superficie del detto substrato (21).
19. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 9 a 18, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi di eccitazione del risuonatore (2) comprendono un sistema elettrostatico formato da armature o elettrodi fissi (27, 28) e armature o elettrodi mobili formate dai rebbi (21, 22) del risuonatore (2).
20. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 9 a 18, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi di eccitazione del risuonatore (2) comprendono un sistema piezoelettrico formato da armature o elettrodi fissi (27, 28) e armature o elettrodi mobili formate dai rebbi (21, 22) del risuonatore (2). 22.
Dispositivo secondo la rivendicazione 19 o 20, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi di generazione delle oscillazioni eseguono anche il rilevamento delle oscillazioni.
22. Dispositivo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sulla detta membrana (1) è ricavato un sensore di modo comune ottenuto con un risuonatore ricavato sulla membrana (1).
23. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 1 a 22, caratterizzato dal fatto che la detta pressione è una pressione assoluta.
24. Dispositivo secondo la rivendicazione da 1 a 22 caratterizzato dal fatto che la detta pressione è una pressione differenziale.
25. Dispositivo secondo la rivendicazione 24 caratterizzato dal fatto che la detta pressione è una pressione relativa.