CH681047A5

CH681047A5 - Measuring parameter, esp. pressure difference, using Fabry-Perot detector - controlling optical length of detector according to output parameter to determine working point on graph

Info

Publication number: CH681047A5
Application number: CH344691A
Authority: CH
Inventors: Beat Haelg; Zeno Stoessel
Original assignee: Landis & Gyr Betriebs Ag
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1991-11-25
Publication date: 1992-12-31

Abstract

Measuring a parameter which influences the optical length of a Fabry-Perot sensor involves modifying a light beam of infinite coherence length in the sensor and feeding it to a Fabry-Perot detector with a light sensitive element. The element produces an output signal dependent on the beam further modified by the detector. The detector's optical length is controlled using an electrical control parameter, with which it has a definite relationship, depending on the output parameter so that a distinguished point on a graph is defined as the working point. The measurement parameter is determined from the control parameter. The graph shows the relationship between the output and the difference between the sensor and detector optical lengths. USE/ADVANTAGE - Esp. for measuring press, differences in flow measurement devices. Simple, low-cost control and evaluation electronics can be used.

Description

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

CH 681 047 A5 CH 681 047 A5

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgrösse gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Fabry-Perot-Detektor zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Bestimmung von Druckdifferenzen, wie sie etwa in Durchflussmessgeräten vorgenommen wird. The invention relates to a method for determining a measurement variable according to the preamble of claim 1 and a Fabry-Perot detector for carrying out the method according to the preamble of claim 7. The method is particularly suitable for determining pressure differences, such as is carried out in flowmeters .

Die der Erfindung zugrundeliegende Technologie ist z.B. in J. M. Vaughan: The Fabry-Perot Inter-ferometer, History, Theory, Practice and Applications, Verlag Adam Hilger, Bristol and Philadelphia, umfassend dargestellt. The technology on which the invention is based is e.g. in J.M. Vaughan: The Fabry-Perot Interferometer, History, Theory, Practice and Applications, Verlag Adam Hilger, Bristol and Philadelphia.

Es ist ein gattungsgemässes Verfahren bekannt (DE 3 816 529 A1), bei weichem der Fabry-Perot-Detektor periodisch durchgestimmt und so jene Wellenlänge bestimmt wird, bei der die Transmission durch den Fabry-Perot-Sensor minimal ist. Daraus wird die optische Länge des Fabry-Perot-Sensors und damit der Wert der Messgrösse bestimmt. A generic method is known (DE 3 816 529 A1), in which the Fabry-Perot detector is periodically tuned and thus the wavelength is determined at which the transmission through the Fabry-Perot sensor is minimal. From this, the optical length of the Fabry-Perot sensor and thus the value of the measured variable are determined.

Dieses Verfahren bedingt eine aufwendige Elektronik zur Steuerung des Fabry-Perot-Detektors und zur Auswertung seines Ausgangssignais, die insbesondere kaum ohne digitale Komponenten auskommt. This process requires complex electronics for controlling the Fabry-Perot detector and for evaluating its output signal, which in particular can hardly do without digital components.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemässes Verfahren sowie einen Fabry-Perot-Detektor zu dessen Durchführung anzugeben, bei welchem eine einfache, kostengünstig herstellbare Regel- und Auswerteelektronik genügt. In contrast, it is the object of the invention to provide a generic method and a Fabry-Perot detector for carrying it out, in which a simple, inexpensive to produce control and evaluation electronics is sufficient.

Die Erfindung, wie sie in der Kennzeichnung des Anspruchs 1 definiert ist, schafft ein Verfahren, welches mit rein analoger Elektronik durchführbar ist. Ausserdem bietet dasselbe eine hohe Empfindlichkeit und eine Dynamik, die nur durch die mechanisch-optischen Eigenschaften der verwendeten Sensoren und Detektoren beschränkt ist. Der in der Kennzeichnung des Anspruchs 7 definierte Fabry-Perot-De-tektor ist ebenfalls einfach aufgebaut und günstig herstellbar und kann mit der Elektronik zu einem Bauteil integriert werden. The invention, as defined in the characterizing part of claim 1, creates a method which can be carried out with purely analog electronics. In addition, it offers high sensitivity and dynamics that are only limited by the mechanical-optical properties of the sensors and detectors used. The Fabry-Perot detector defined in the characterizing part of claim 7 is also simple in construction and inexpensive to manufacture and can be integrated with the electronics to form a component.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von nur Ausführungsbeispielen darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen In the following, the invention will be explained in more detail with reference to drawings that show exemplary embodiments only. Show it

Fig. 1 eine schematische Übersicht über eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäs-sen Verfahrens, 1 shows a schematic overview of a device for carrying out the method according to the invention,

Fig. 2 einen Differentialdruck-Fabry-Perot-Sensor der Vorrichtung nach Fig. 1 im Querschnitt, 2 shows a differential pressure Fabry-Perot sensor of the device according to FIG. 1 in cross section,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Fabry-Perot-Detektor nach einer ersten Ausführungsform, 3 shows a cross section through an inventive Fabry-Perot detector according to a first embodiment,

Fig. 4a einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Fabry-Perot-Detektor nach einer zweiten Ausführungsform, 4a shows a cross section through an inventive Fabry-Perot detector according to a second embodiment,

Fig. 4b eine Draufsicht auf einen Teil des Fabry-Perot-Detektors nach Fig. 4a, 4b is a plan view of part of the Fabry-Perot detector according to FIG. 4a,

Fig. 4c ein Prinzipschaltbild des Fabry-Perot-Detektors nach Fig. 4a, b 4c shows a basic circuit diagram of the Fabry-Perot detector according to FIG. 4a, b

Fig. 5 eine das Transmissions- und Reflexionsverhalten von Fabry-Perot-Interferometern wesentlich bestimmende Funktion und 5 shows a function which essentially determines the transmission and reflection behavior of Fabry-Perot interferometers and

Fig. 6 schematisch einen erfindungsgemässen Fabry-Perot-Detektor mit Regelelektronik. Fig. 6 shows schematically an inventive Fabry-Perot detector with control electronics.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird mittels eines Fabry-Perot-Sensors 1 (Fig. 1) und einer Lichtquelle 2, welche denselben beleuchtet, sowie einem Fabry-Perot-Detektor 3, auf den das vom Fabry-Perot-Sensor 1 reflektierte Licht mittels eines Lichtleiters 4 geleitet wird und der mit einer Regelelektronik 5 verbunden ist, durchgeführt. Dabei liefert die Lichtquelle 2 Licht von endlicher Kohärenzlänge, dessen Spektrum etwa einem um eine mittlere Wellenlänge Xo zentrierten Intervall der Länge 8 entsprechen kann. The method according to the invention is implemented by means of a Fabry-Perot sensor 1 (FIG. 1) and a light source 2, which illuminates the same, and a Fabry-Perot detector 3, onto which the light reflected by the Fabry-Perot sensor 1 is transmitted by means of an optical fiber 4 is conducted and which is connected to control electronics 5, performed. The light source 2 supplies light of finite coherence length, the spectrum of which can correspond approximately to an interval of length 8 centered around a central wavelength Xo.

Der Fabry-Perot-Sensor 1, der ausführlich in der EP-A 0 460 357 beschrieben ist, besteht (Fig. 2) aus einer Trägerplatte 6 aus Glas und einem Membranblock 7 aus einkristallinem Silicium mit einer Membran 8 zwischen Membranträgern 9, die von seitlich begrenzenden Stützwänden 10 durch eine Entkopplungsfuge 11 getrennt sind. Eine der Stützwände 10 ist durch einen Einlasskanai 12 durchbrochen. Die Membran 8 und die Trägerplatte 6 tragen einander gegenüberliegende planparallele Spiegel 13a, b aus Platin - es können hier wie beim Fabry-Perot-Detektor 3 auch andere Metalle verwendet werden, aber Platin wird wegen seiner hohen Korrosionsbeständigkeit bevorzugt -, welche ein Fabry-Perot-Inter-ferometer bilden. Weicht der Druck im Inneren des Sensors von demjenigen in einer Vertiefung 14, welche von den Membranträgern 9 und der Membran 8 begrenzt wird, ab, so biegt sich die Membran 8 mit steigendem Druckunterschied mehr und mehr durch, so dass sich die optische Länge des Fabry-Perot-Sensors 1 in eindeutiger Abhängigkeit von der Druckdifferenz ändert. The Fabry-Perot sensor 1, which is described in detail in EP-A 0 460 357, consists (FIG. 2) of a support plate 6 made of glass and a membrane block 7 made of single-crystalline silicon with a membrane 8 between membrane supports 9, which laterally delimiting support walls 10 are separated by a decoupling joint 11. One of the support walls 10 is broken through by an inlet duct 12. The membrane 8 and the carrier plate 6 carry mutually opposite plane-parallel mirrors 13a, b made of platinum - other metals can be used here as with the Fabry-Perot detector 3, but platinum is preferred because of its high corrosion resistance - which is a Fabry-Perot - Form interferometer. If the pressure inside the sensor deviates from that in a recess 14, which is delimited by the membrane supports 9 and the membrane 8, the membrane 8 bends more and more with increasing pressure difference, so that the optical length of the Fabry -Perot sensor 1 changes depending on the pressure difference.

Der dargestellte Fabry-Perot-Sensor 1 ist als Differenzdrucksensor zur Messung des Durchflusses in einer Leitung 15 eingesetzt. Die Vertiefung 14 ist durch eine erste Öffnung 16 mit der Leitung 15 verbunden, das Innere des Sensors durch den Einlasskanal 12 und eine zweite, stromabwärts von der ersten Öffnung 16 gelegene zweite Öffnung 17. Da für den Durchfluss The Fabry-Perot sensor 1 shown is used as a differential pressure sensor for measuring the flow in a line 15. The recess 14 is connected to the line 15 through a first opening 16, the interior of the sensor through the inlet duct 12 and a second opening 17 located downstream of the first opening 16. Da for the flow

Q- v/SP Q- v / SP

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

CH 681 047 A5 CH 681 047 A5

gilt, so ist die durch die Druckdifferenz Ap bewirkte Änderung der optischen Länge des Fabry-Perot-Sensors 1 ein eindeutiges Mass für den Durchfluss Q. applies, the change in the optical length of the Fabry-Perot sensor 1 caused by the pressure difference Ap is a clear measure of the flow Q.

Der Fabry-Perot-Detektor 3 (Fig. 3; 4a, b) weist gleichfalls eine Trägerplatte 18 aus Glas auf sowie einen Membranblock 19 aus n-dotiertem Silicium, welcher mit der Trägerplatte 18 durch anodisches Bonden verbunden ist. Zwischen seitlichen Stützwänden 20 ist eine Membran 21 eingespannt, welche eine Vertiefung 22, die eine Fabry-Perot-Kavität bildet, abschliesst und an der von der Vertiefung 22 abgewandten Seite in einer weiteren Vertiefung an der Rückseite des Membranblocks 19 einen Zentralkörper 23 trägt. Diese Konstruktion erlaubt eine Veränderung der optischen Länge unter dem Einfluss einer auf die Membran 21 wirkenden Kraft, während die Versteifung durch den Zentralkörper 23 Deformationen derselben im optisch aktiven mittleren Bereich verhindert. Die Trägerplatte 18 trägt einen ersten Spiegel 24 aus Platin, während der gegenüberliegende Teil der Membran 21 an der die Vertiefung 22 begrenzenden Oberfläche, die einen zweiten Spiegel und damit zusammen mit dem ersten Spiegel 24 ein Fabry-Perot-Interferometer bildet, eine p-dotierte Schicht 25 aufweist, welche zusammen mit dem umgebenden n-dotierten Material eine Photodiode bildet und von einem unmittelbar angrenzenden p-^-dotierten Ring 26 umgeben ist, der über einen gleichfalls p++-dotierten Streifen 27 eine gut leitende Verbindung der p-dotierten Schicht 25 mit einem Bondanschluss 28 herstellt (in Fig. 3 nicht dargestellt, s. Fig. 4a und Fig. 4b, die den Membranblock 19 von Fig. 4a in der Draufsicht zeigt). Das n-dotierte Material der Membran 21 ist mit einem n++-dotierten offenen Ring 32 - es könnte auch eine andere Form gewählt werden, entscheidend ist die gute Kontaktierung der Oberfläche der Membran 21 kontaktiert, der den p++-dotier-ten Ring 26 aussen umgibt und durch einen n++-dotierten Streifen 33 mit einem weiteren Bondanschluss 34 verbunden ist. Die beiden Bondanschlüsse 28 und 34 dienen zum Verbinden der Photodiode mit der Regelelektronik 5. Selbstverständlich können die Dotierungen des Membranblocks 19 vertauscht werden. The Fabry-Perot detector 3 (FIG. 3; 4a, b) likewise has a carrier plate 18 made of glass and a membrane block 19 made of n-doped silicon, which is connected to the carrier plate 18 by anodic bonding. A membrane 21 is clamped between lateral support walls 20, which closes a recess 22, which forms a Fabry-Perot cavity, and carries a central body 23 in a further recess on the back of the membrane block 19 on the side facing away from the recess 22. This construction allows the optical length to be changed under the influence of a force acting on the membrane 21, while the stiffening by the central body 23 prevents deformation thereof in the optically active central region. The carrier plate 18 carries a first mirror 24 made of platinum, while the opposite part of the membrane 21 on the surface delimiting the recess 22, which forms a second mirror and thus together with the first mirror 24 a Fabry-Perot interferometer, is p-doped Layer 25, which forms a photodiode together with the surrounding n-doped material and is surrounded by an immediately adjacent p - ^ - doped ring 26, which via a likewise p ++ - doped strip 27 a well conductive connection of the p-doped layer 25 with a bond connection 28 (not shown in FIG. 3, see FIGS. 4a and 4b, which shows the membrane block 19 from FIG. 4a in a top view). The n-doped material of the membrane 21 is made with an n ++ -doped open ring 32 - another shape could also be chosen, the good contacting of the surface of the membrane 21, which surrounds the p ++ -doped ring 26 on the outside, is crucial and is connected to a further bond connection 34 by an n ++ -doped strip 33. The two bond connections 28 and 34 serve to connect the photodiode to the control electronics 5. Of course, the doping of the membrane block 19 can be interchanged.

Bei der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführung sitzt der Membranblock 19 auf einem Träger 29 aus Glas, welcher eine erste Steuerelektrode 30 trägt, die mit einem weiteren elektrischen Anschluss (nicht dargestellt) verbunden ist. Die erste Steuerelektrode 30 bildet zusammen mit der unteren Grenzschicht des Zentralkörpers 23, die als zweite Steuerelektrode wirkt, eine Steuerkapazität. Durch Anlegen eines Potentials an die erste Steuerelektrode 30 - der Membranblock 19 liegt im wesentlichen auf Massepotential - wird auf den Zentralkörper 23 eine elektrostatische Kraft ausgeübt, welche denselben nach unten zieht und damit die optische Länge des Fabry-Perot-Detektors 3 vergrössert. Der Zentralkörper 23 bewirkt zugleich, dass die Membran 21 im mittleren, optisch aktiven Bereich plan bleibt, da nur der den Zentralkörper 23 umgebende dünne Membranring merklich durchgebogen wird. Für die auf die Membran 21 ausgeübte elektrostatische Kraft gilt In the first embodiment shown in FIG. 3, the membrane block 19 sits on a support 29 made of glass, which carries a first control electrode 30 which is connected to a further electrical connection (not shown). The first control electrode 30 forms a control capacitance together with the lower boundary layer of the central body 23, which acts as a second control electrode. By applying a potential to the first control electrode 30 - the membrane block 19 is essentially at ground potential - an electrostatic force is exerted on the central body 23, which pulls it downward and thus increases the optical length of the Fabry-Perot detector 3. The central body 23 also causes the membrane 21 to remain flat in the central, optically active region, since only the thin membrane ring surrounding the central body 23 is noticeably bent. The same applies to the electrostatic force exerted on the membrane 21

F ~ V2, F ~ V2,

wobei V die angelegte Potentialdifferenz bezeichnet. where V denotes the applied potential difference.

Bei der zweiten Ausführung nach Fig. 4a, b ist der erste Spiegel 24 mit einem Bondanschluss 31 verbunden und dient zugleich als erste Steuerelektrode, während ein den Ring 26 umgebender nicht ganz geschlossener Ring 32 aus n^-dotiertem Material eine zweite Steuerelektrode bildet. Der Ring 32 ist über einen gleichfalls n++-dotierten Streifen 33 mit einem Bondanschluss 34 verbunden. Der Membranblock 19 ist auf der Oberseite mit einer Siliciumdioxidschicht überzogen, die den Membranblock 19 vom ersten Spiegel 24 und dem Bondanschluss 31 galvanisch trennt und ausserdem einen Korrosionsschutz darstellt. Diese Ausführung ist besonders kompakt und wirtschaftlich herstellbar. In the second embodiment according to FIGS. 4a, b, the first mirror 24 is connected to a bond connection 31 and at the same time serves as the first control electrode, while a ring 32 made of n ^ -doped material and not completely closed surrounding the ring 26 forms a second control electrode. The ring 32 is connected to a bond connection 34 via a likewise n ++ -doped strip 33. The membrane block 19 is coated on the upper side with a silicon dioxide layer, which galvanically separates the membrane block 19 from the first mirror 24 and the bond connection 31 and also represents corrosion protection. This version is particularly compact and economical to manufacture.

Wie am besten aus Fig. 4C ersichtlich, liegt die Steuerkapazität zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen des elektrisch leitenden Spiegels 24 und der Membran 21 mit gleichfalls leitender oberflächennaher Schicht. Der Ring 26 und die p-dotierte Schicht 25 weisen eine geringe Potentialdifferenz zum Zentralkörper 23 auf, die sich über der Sperrschicht der Photodiode aufbaut. Die Steuerkapazität entspricht daher einer Serieschaltung der Sperrschichtkapazität CSp der Photodiode mit einer Kapazität Ck des über der Photodiode liegenden Teils der Kavität des Fabry-Perot-Detektors 3, zu der eine Randkapazität Cr für den ausserhalb der Photodiode liegenden Bereich parallel liegt. Zwischen dem Bondanschluss 31 einerseits und den beiden Bondanschlüssen 28 und 34 andererseits liegt die der Steuerung der optischen Länge des Fabry-Perot-Detektors 3 dienende Potentialdifferenz V. Die resultierende Kraft F~V2 biegt den ausserhalb des Zentralkörpers 23 umlaufenden dünnen Membranring durch und verringert die optische Länge des Fabry-Perot-Detektors 3 proportional zum Quadrat der angelegten Potentialdifferenz V. As can best be seen from FIG. 4C, the control capacitance lies between the mutually opposite surfaces of the electrically conductive mirror 24 and the membrane 21 with a layer that is also conductive near the surface. The ring 26 and the p-doped layer 25 have a small potential difference to the central body 23, which builds up over the barrier layer of the photodiode. The control capacitance therefore corresponds to a series connection of the junction capacitance CSp of the photodiode with a capacitance Ck of the part of the cavity of the Fabry-Perot detector 3 lying above the photodiode, to which an edge capacitance Cr for the region lying outside the photodiode lies in parallel. Between the bond connection 31 on the one hand and the two bond connections 28 and 34 on the other hand there is the potential difference V used to control the optical length of the Fabry-Perot detector 3. The resulting force F ~ V2 bends the thin membrane ring encircling the central body 23 and reduces it optical length of the Fabry-Perot detector 3 proportional to the square of the applied potential difference V.

Der Fabry-Perot-Detektor 3 weist in einer Ausführung eine Seitenlänge von etwa 6mm auf. Die Trägerplatte 18 und der Träger 29 bestehen aus PYREX®-Glas von 0,5 mm Dicke. Die Gesamtdicke des Detektors, dessen Membranblock 19 durch bekannte Ätzverfahren monolithisch aus dem üblichen Wafer-material hergestellt ist, beträgt etwa 1,6 mm. In one embodiment, the Fabry-Perot detector 3 has a side length of approximately 6 mm. The carrier plate 18 and the carrier 29 consist of PYREX® glass with a thickness of 0.5 mm. The total thickness of the detector, the membrane block 19 of which is made monolithically from the usual wafer material by known etching processes, is approximately 1.6 mm.

Im folgenden wird nun das erfindungsgemässe Verfahren erläutert. The method according to the invention is now explained below.

Bezeichnet man mit U die optische Länge des Fabry-Perot-Sensors 1, so kann dessen Reflexivität als Funktion der Wellenlänge in erster Näherung beschrieben werden durch If U denotes the optical length of the Fabry-Perot sensor 1, its reflectivity as a function of the wavelength can be described in a first approximation by

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

CH 681 047 A5 CH 681 047 A5

rs(X) = Bs - Ascos(4jeLsA.). rs (X) = Bs - Ascos (4jeLsA.).

Die Transmissivität des Fabry-Perot-Detektors 3 ist ähnlich tû(^) = Bd + Adcos(4jiLdA.), The transmissivity of the Fabry-Perot detector 3 is similar to tû (^) = Bd + Adcos (4jiLdA.),

wobei Ld die optische Länge des Fabry-Perot-Detektors 3 bedeutet. As, Bs, Ad und Bd sind Konstanten. Im ganzen erhält man, zieht man die weiter oben getroffenen Annahmen über das Spektrum der Lichtquelle in Betracht, für den zur Intensität des durch die Photodiode des Fabry-Perot-Detektor 3 aufgefangenen Lichts proportionalen von demselben abgegebenen Photostrom where Ld is the optical length of the Fabry-Perot detector 3. As, Bs, Ad and Bd are constants. Overall, if one takes into account the assumptions made above about the spectrum of the light source, the photocurrent emitted by the same is proportional to the intensity of the light captured by the photodiode of the Fabry-Perot detector 3

I = C f*°+7 d(A) rß(X) tDa) äX, I = C f * ° + 7 d (A) rß (X) tDa) äX,

o~"2 o ~ "2

wobei C eine Konstante ist und d gewisse wellenlängenabhängige Grössen wie Absorptionsverluste zu-sammenfasst. Die Rechnung führt weiter auf where C is a constant and d summarizes certain wavelength-dependent variables such as absorption losses. The bill continues

I = C {BsBd - AsBdP(Ls) + BsAdP(Ld) I = C {BsBd - AsBdP (Ls) + BsAdP (Ld)

-1/2 AsAd [P(Ls-Ld) + P(Ls+Ld)]}, -1/2 AsAd [P (Ls-Ld) + P (Ls + Ld)]},

wobei x +— where x + -

P(x) = f ° ô2 d(A) cos(4îtx/A) dx P (x) = f ° ô2 d (A) cos (4îtx / A) dx

Jx°~z Jx ° ~ z

« k[sin(27Tx/k)/(2?rx) ]cos(4irx/X0) «K [sin (27Tx / k) / (2? Rx)] cos (4irx / X0)

ist mit k = Ao2/8 der Kohärenzlänge. Die Funktion P(x) ist in Fig. 5 dargestellt. Da sie verhältnismässig rasch abfällt, sind für genügend grosse optische Längen Ls, Ld die Terme CBsBd und 1/2CAsAdP(Ls-Ld) die dominierenden Beiträge zur Intensität des Photostroms I, so dass der Graph der die Abhängigkeit desselben von der Differenz der optischen Längen des Fabry-Perot-Sensors 1 und des Fabry-Perot-Detektors 3 beschreibenden Funktion abgesehen von einer Multiplikation mit einem konstanten Faktor und der Addition einer Konstanten dem in Fig. 5 dargestellten Graphen der Funktion P(x) entspricht. is with k = Ao2 / 8 the coherence length. The function P (x) is shown in Fig. 5. Since it drops relatively quickly, the terms CBsBd and 1 / 2CAsAdP (Ls-Ld) are the dominant contributions to the intensity of the photocurrent I for sufficiently long optical lengths Ls, Ld, so that the graph shows the dependence of the same on the difference in optical lengths of the Fabry-Perot sensor 1 and the Fabry-Perot detector 3, apart from multiplication by a constant factor and addition of a constant, corresponds to the graph of the function P (x) shown in FIG. 5.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann nun, etwa, indem die an den Fabry-Perot-Detektor 3 angelegte Regelspannung über eine Rampe variiert und das absolute Maximum der Abweichung des Photostroms vom Hintergrundwert CBsBd aufgesucht wird, so kalibriert werden, dass in einer Grundeinstellung bei verschwindender Druckdifferenz am Fabry-Perot-Sensor 1 LD gleich Ls wird. Im Betrieb wird dann dieser durch Gleichheit der optischen Längen Ls und Ld gekennzeichnete Arbeitspunkt durch die Regelelektronik 5 festgehalten, wie im folgenden näher erläutert wird. Wird statt eines reflexiv ein transmissiv arbeitender Fabry-Perot-Sensor benützt, so ändern sich gewisse Vorzeichen, was Anpassungen der Regelelektronik 5 bedingt, das Funktionsprinzip ist jedoch das gleiche. The device according to FIG. 1 can now be calibrated, for example in that the control voltage applied to the Fabry-Perot detector 3 varies over a ramp and the absolute maximum of the deviation of the photocurrent from the background value CBsBd is sought, in such a way that in a basic setting at vanishing pressure difference at the Fabry-Perot sensor 1 LD becomes Ls. During operation, this operating point, which is characterized by the identical lengths Ls and Ld, is recorded by the control electronics 5, as will be explained in more detail below. If a transmissive Fabry-Perot sensor is used instead of a reflective one, certain signs change, which necessitates adjustments to the control electronics 5, but the principle of operation is the same.

Über eine Leitung 35 (Fig. 6) wird der Photostrom I an die Regelelektronik 5 geleitet, in einem Vorverstärker 36 verstärkt und in einem Multiplizierer 37 mit einer von einem Wechselspannungsgenerator 38 erzeugten Wechselspannung multipliziert und in einem analogen Integrierer 39 integriert. Das Ausgangssignal des Integrierers 39 liegt einerseits an der Ausgangsklemme 40 und wird andererseits an einen analogen Subtrahierer 41 geleitet, wo ihm die vom Wechselspannungsgenerator 38 erzeugte Wechselspannung als Tastfunktion überlagert wird. Das so zusammengesetzte Signal wird als Regelspannung über eine Leitung 42 an den Fabry-Perot-Detektor 3 geleitet, wo es an der Steuerkapazität anliegt und die optische Länge LD desselben beeinflusst. The photocurrent I is passed to the control electronics 5 via a line 35 (FIG. 6), amplified in a preamplifier 36 and multiplied in a multiplier 37 by an AC voltage generated by an AC voltage generator 38 and integrated in an analog integrator 39. The output signal of the integrator 39 is on the one hand at the output terminal 40 and on the other hand is passed to an analog subtractor 41, where the alternating voltage generated by the alternating voltage generator 38 is superimposed on it as a key function. The signal composed in this way is passed as a control voltage via a line 42 to the Fabry-Perot detector 3, where it is present at the control capacitance and influences the optical length LD thereof.

Arbeitet die Vorrichtung nun genau am Arbeitspunkt, um welchen der Graph der Intensitätsfunktion (s. Fig. 5) mindestens in einer kleinen Umgebung im wesentlichen symmetrisch ist, so bewirkt die überlagerte Wechselspannung, dass die den Photostrom I determinierende Differenz Ls-Ld der optischen Längen des- Fabry-Perot-Sensors 1 und des Fabry-Perot-Detektors 3 nun eine kleine Schwingung mit der Frequenz der Wechselspannung um den Arbeitspunkt ausführt. Da die Intensitätsfunktion um den Arbeitspunkt symmetrisch ist, führt das dazu, dass dem Photostrom I eine Schwingung mit der doppelten Frequenz der Wechseispannung überlagert wird. Wird deren im Multiplizierer 37 erzeugtes Produkt im Integrierer 39 integriert, so ist das Resultat Null. If the device now works precisely at the operating point around which the graph of the intensity function (see FIG. 5) is essentially symmetrical at least in a small environment, the superimposed alternating voltage causes the difference Ls-Ld of the optical lengths that determines the photocurrent I of the Fabry-Perot sensor 1 and the Fabry-Perot detector 3 now carries out a small oscillation with the frequency of the alternating voltage around the operating point. Since the intensity function is symmetrical about the working point, this leads to an oscillation with twice the frequency of the alternating voltage being superimposed on the photocurrent I. If the product generated in multiplier 37 is integrated in integrator 39, the result is zero.

4 4th

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

CH 681 047 A5 CH 681 047 A5

Ändert sich nun durch eine Änderung der Druckdifferenz die optische Länge Ls des Fabry-Perot-Sensors 1 geringfügig, so verschiebt sich der Arbeitspunkt etwas vom Nullpunkt weg, so dass die Intensitätsfunktion nun nicht mehr um den Arbeitspunkt symmetrisch ist und das Ausgangssignal eine Komponente mit der Frequenz der vom Wechselspannungsgenerator 38 erzeugten Wechselspannung enthält. Dadurch wird das Integral des im Multiplizierer 37 erzeugten Produkts ungleich Null und die Ausgangsspannung des Integrierers 39 ändert sich entsprechend. Sie wird schliesslich, nach Überlagerung mit der Wechselspannung im Subtrahierer 41, über die Leitung 42 an die Metallelektrode 30 geleitet, so dass die Regelspannung angepasst wird, bis die optische Länge Ld des Fabry-Perot-Detektors 3 wieder der des Fabry-Perot-Sensors 1 entspricht und der Arbeitspunkt wieder erreicht ist. If the optical length Ls of the Fabry-Perot sensor 1 changes slightly due to a change in the pressure difference, the working point shifts somewhat away from the zero point, so that the intensity function is no longer symmetrical about the working point and the output signal is a component with the Frequency of the AC voltage generated by the AC voltage generator 38 contains. As a result, the integral of the product generated in the multiplier 37 becomes non-zero and the output voltage of the integrator 39 changes accordingly. Finally, after being superimposed with the AC voltage in the subtractor 41, it is passed via line 42 to the metal electrode 30, so that the control voltage is adjusted until the optical length Ld of the Fabry-Perot detector 3 is again that of the Fabry-Perot sensor 1 corresponds and the operating point is reached again.

Das Prinzip funktioniert auch bei Wahl eines anderen Extremums als Arbeitspunkt, jedoch ist die Wahl des Nullpunkts am günstigsten, weil die Vorrichtung hier die höchste Auflösung hat und der Nullpunkt von Eigenschaften der Lichtquelle 2 wie mittlerer Wellenlänge Xo und Kohärenzlänge k unabhängig ist. Das impliziert auch eine sehr hohe Temperaturstabilität des Messprinzips, wenn man in Betracht zieht, dass die Fabry-Perot-Kavitäten evakuiert oder mit Materialien mit sehr geringer Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Temperatur gefüllt sein können wie Luft, Wasser oder Öl. Die Dynamik der Vorrichtung unterliegt keiner der bei Fabry-Perot-Sensoren gewöhnlich gegebenen prinzipiellen Beschränkungen. The principle also works when a different extremum is selected as the working point, but the choice of the zero point is the cheapest because the device has the highest resolution here and the zero point is independent of properties of the light source 2, such as mean wavelength Xo and coherence length k. This also implies a very high temperature stability of the measuring principle, if one takes into account that the Fabry-Perot cavities can be evacuated or filled with materials with very little dependence of the refractive index on temperature, such as air, water or oil. The dynamics of the device are not subject to any of the fundamental restrictions that are usually given in Fabry-Perot sensors.

Bei Einsätzen, bei denen transiente Störungen auftreten können, ist es nicht auszuschliessen, dass sich das System vom Nullpunkt entfernt und auf einem Arbeitspunkt stabilisiert, welcher einem Nebenmaximum des in Fig. 5 dargestellten Graphen entspricht. Durch gezielte Ladungsinjektionen in den Integrator 39 kann der Arbeitspunkt dann jeweils auf ein benachbartes Maximum verschoben und das Resultat durch externe Auswertung, etwa mittels eines Mikroprozessors, überprüft werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Nullpunkt wieder zu erreichen. In operations in which transient disturbances can occur, it cannot be ruled out that the system moves away from the zero point and stabilizes at an operating point which corresponds to a secondary maximum of the graph shown in FIG. 5. The operating point can then be shifted to an adjacent maximum by targeted charge injections into the integrator 39 and the result can be checked by external evaluation, for example by means of a microprocessor. In this way it is possible to reach the zero point again.

Die Regelelektronik kann wie beschrieben ein eigenes Bauteil bilden, sie kann aber auch - was in vielen Fällen die günstigere Möglichkeit sein dürfte - im Membranblock 19 integriert sein. The control electronics can form its own component as described, but it can also be integrated in the membrane block 19, which should be the cheaper option in many cases.

Bei Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Durchflussmessung über den Differenzdruck ergibt sich aus den weiter oben erwähnten Zusammenhängen zwischen dem Durchfluss Q und der Druckdifferenz Ap am Fabry-Perot-Sensor 1 einerseits und der auf die Membran 21 des Fabry-Perot-Sensors 3 wirkenden Kraft F und der angelegten Regelspannung V andererseits, dass, falls Fabry-Perot-Sensor 1 und Fabry-Perot-Detektor 3 auf gleiche Kräfte mit proportionalen Auslenkungen reagieren, was mindestens bei kleinen Auslenkungen der Fall ist und darüber hinaus etwa durch gleiche geometrische Ausbildung der Membranen sichergestellt werden kann, der Durchfluss Q und die Regelspannung V proportional sind. When using the method according to the invention for flow measurement via the differential pressure, the relationships between the flow Q and the pressure difference Ap at the Fabry-Perot sensor 1 mentioned above and the force F acting on the membrane 21 of the Fabry-Perot sensor 3 result on the one hand and the applied control voltage V, on the other hand, that if the Fabry-Perot sensor 1 and Fabry-Perot detector 3 react to the same forces with proportional deflections, which is the case at least for small deflections and moreover is ensured by the same geometric design of the membranes the flow Q and the control voltage V are proportional.

Claims

1. A method for determining a measurement variable that uniquely influences the optical length of a Fabry-Perot sensor (1), in which a light beam of finite coherence length is modified by the Fabry-Perot sensor (1) and applied to a Fabry-Perot detector ( 3) is conducted with a light-sensitive element which generates an electrical output variable dependent on the intensity of the light beam modified again in the Fabry-Perot detector (3), characterized in that the optical length of the Fabry-Perot detector (3) is determined by means of a electrical controlled variable, on which it depends unambiguously, is controlled in dependence on the output variable such that an excellent point of the dependence of the output variable on the difference in the optical length of the Fabry-Perot sensor (1) and the optical length of the Fabry-Perot -Detector (3) defining graphs recorded as a working point and the measured variable is determined from the controlled variable.

2. The method according to claim 1, characterized in that the working point is characterized by an extreme value of the output variable.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the operating point corresponds to the zero point of the difference in the optical length of the Fabry-Perot sensor (1) and the optical length of the Fabry-Perot detector (3).

4. The method according to claim 2, characterized in that the controlled variable is superimposed on a periodic touch function symmetrical about the zero point and by integrating the product thereof with the output variable a correction signal is generated which, if it deviates from zero, causes a change in the controlled variable.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the controlled variable is a voltage which generates an electric field which exerts a force influencing its optical length on the Fabry-Perot detector (3).

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the measurement variable is a pressure difference.

7. Fabry-Perot detector (3) for performing the method according to one of claims 1 to 6, with a Fabry-Perot interferometer, the cavity between a transparent support plate (18) which has a first mirror (24) and a membrane (21), which forms or carries a second mirror parallel to the first mirror (24), and lies with a light-sensitive element, thereby characterized

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net that it has a first control electrode which, together with a second control electrode mechanically connected to the membrane (21), forms a control capacitance for influencing the deflection of the membrane (21).

8. Fabry-Perot detector (3) according to claim 7, characterized in that the membrane (21) is part of a membrane block (19) and on its side facing away from the Fabry-Perot cavity delimits a recess on the back of the membrane block.

9. Fabry-Perot detector (3) according to claim 8, characterized in that the membrane (21) on its back carries a central body (23) which forms the second control electrode, while the first control electrode (30) on one of the recess final carrier (29) is attached.

10. Fabry-Perot detector (3) according to claim 7 or 8, characterized in that the first control electrode is attached to the carrier plate (18), while the second control electrode in the boundary layer of the membrane (21) to the Fabry-Perot cavity is arranged.

11. Fabry-Perot detector according to claim 10, characterized in that the first control electrode is designed as a metal layer and at the same time forms the first mirror (24).

12. Fabry-Perot detector according to one of claims 8 to 11, characterized in that the membrane block (19) consists of silicon.

13. Fabry-Perot detector according to claim 12, characterized in that the light-sensitive element is designed as a photodiode integrated in the membrane (21).

14. Fabry-Perot detector according to claim 12 or 13, characterized in that the membrane block (19) on its side facing the carrier plate (18) is covered with a silicon dioxide layer.

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