DE69521447T2

DE69521447T2 - Wandler mit Schwingelement

Info

Publication number: DE69521447T2
Application number: DE69521447T
Authority: DE
Inventors: James Edward Humphries; Alan James Jacobs-Cook; Robert Andrew Pinnock
Original assignee: Bookham Technology PLC
Current assignee: Lumentum Technology UK Ltd
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 1995-03-09
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2015-03-10
Also published as: EP0672897A3; DE69521447D1; EP0672897A2; GB9405355D0; US5521884A; EP0672897B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messwandler mit Schwingelement. Ein solcher Messwandler ist zum Messen von Kraft und/oder Druck geeignet.
Bei bekannten Schwingelement-Messwandlern ist ein Schwingelement an einer Membran befestigt. Die Position des Schwingelementes wird durch Interferometrie festgestellt. Ein Problem tritt in Zusammenhang damit auf, dass der Bewegungsbereich der Membran größer ist als die Schwingungsamplitude des Schwingelementes. Folglich kann die Membran so abgelenkt werden, dass das Schwingelement so bewegt wird, dass es eine Ruheposition an oder neben einem Minimum in der Ansprechkennkurve des Interferometers einnimmt. Dies führt zur Signalschwächung und kann Messungen unzuverlässig oder unausführbar machen.
Die GB 2 223 311A beschreibt ein Messsystem, bei dem Licht von einer Breitbandlichtquelle über eine Lichtleitfaser zu einem Schwingelement geführt wird. Das Schwingelement und das Ende der Lichtleitfaser bilden ein Interferometer. Von dem Interferometer wird Licht zu einem Doppelzweig- Referenzinterferometer geleitet, bei dem einer der Zweige eine Viertelwellenverzögerung zwischen den beiden Polarisationszuständen zum Verfahren dieses Zweigs beinhaltet. Von dem Referenzinterferometer wird Licht über einen Polarisationsstrahlenteiler zu zwei Photodetektoren geführt, die ein erstes und ein zweites Ausgangssignal erzeugen, die zueinander um 90º phasenverschoben sind.
Die GB 2 259 139A beschreibt einen Festkörpersensor mit einem an einer Membran befestigten ersten und zweiten Balken. Der erste Balken ist so angeordnet, dass seine Resonanzfrequenz durch auf die Membran wirkenden Druck beeinflusst wird, wohingegen der zweite Balken so als Ausleger angeordnet ist, dass seine Resonanzfrequenz durch auf die Membran wirkenden Druck nicht beeinflusst wird. Die Resonanzfrequenz des zweiten Balkens wird gemessen, um einen Temperaturausgleich für mit dem ersten Balken durchgeführte Druckmessungen bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Messwandler bereitgestellt, umfassend ein schwingbares erstes Element, das als Reaktion auf die Bewegung eines ersten Teils eines zweiten Elementes beweglich ist, und einen im wesentlichen schwingungsfreien Referenzreflektor neben dem ersten Element, der als Reaktion auf die Bewegung des ersten Teils des zweiten Elementes beweglich ist, wobei das erste Element eine Resonanzfrequenz aufweist, die von der Position des ersten Teils des zweiten Elementes abhängig ist, und so angeordnet ist, dass es mit dem Referenzreflektor zusammenwirkt, um ein Interferometer zu bilden.
Folglich kann ein Messwandler bereitgestellt werden, bei dem sich das erste Element und der Referenzreflektor im wesentlichen gleichzeitig als Reaktion auf die Bewegung des ersten Teils des zweiten Elementes bewegen, so dass gewährleistet wird, dass die Weglängendifferenz zwischen von dem ersten Element reflektierter Strahlung und von dem zweiten Element reflektierter Strahlung durch die Position des ersten Teils des zweiten Elements im wesentlichen unbeeinflusst bleibt.
Das erste Element ist vorzugsweise eine erste Brücke, die auf einem ersten und einem zweiten Träger getragen wird, von denen wenigstens einer an dem zweiten Element befestigt ist, so dass eine Bewegung des ersten Teils des zweiten Elementes die von der ersten Brücke erfahrene Belastung ändert.
Der Referenzreflektor ist vorzugsweise eine zweite Brücke, die auf wenigstens einem Träger getragen wird, der an dem zweiten Element befestigt ist. Vorteilhafterweise wird die zweite Brücke auf wenigstens dem ersten oder dem zweiten Träger getragen.
Vorzugsweise hat die zweite Brücke eine andere Größe und/oder Zusammensetzung als die erste Brücke, so dass die Resonanzfrequenzen der ersten und der zweiten Brücke unterschiedlich sind. Wenn die erste und die zweite Brücke einen Antriebsreiz mit der Resonanzfrequenz der ersten Brücke empfangen, dann wird die zweite Brücke folglich im wesentlichen keiner Schwingbewegung unterzogen.
Alternativ kann der Referenzreflektor am zweiten Element befestigt oder ein Teil des zweiten Elementes sein. Der Referenzreflektor ist folglich schwingungsfrei.
Das zweite Element ist vorzugsweise eine Membran, und der erste Teil des zweiten Elementes ist ein Abschnitt der Membran, der sich bewegt, wenn sich die Membran unter dem Einfluss einer darauf wirkenden Kraft verformt.
Vorteilhafterweise sind das erste Element und der Referenzreflektor an einer ersten Seite der Membran befestigt, und eine zweite Seite der Membran ist so angeordnet, dass sie einem Fluid ausgesetzt wird, dessen Druck gemessen werden soll. Auf die zweite Seite der Membran wirkender Druck verformt die Membran und »verändert somit die Resonanzfrequenz des ersten Elementes.
Vorzugsweise weist der Messwandler eine einheitliche Konstruktion auf. Die Membran, das erste Element und der Referenzreflektor können durch Ätzen eines Siliziumblocks gebildet werden.
Das erste Element und der Referenzreflektor werden vorzugsweise durch Strahlung beleuchtet, die über einen Wellenleiter bereitgestellt wird. Vorteilhafterweise wird Strahlung, die vom ersten Element und dem Referenzreflektor reflektiert wird, von dem Wellenleiter oder einem weiteren Wellenleiter empfangen. Die reflektierten Strahlen überlagern sich und intensitätsmodulieren die von dem oder dem weiteren Wellenleiter empfangene Strahlung je nach der Position des ersten Elementes in Bezug zum Referenzreflektor. Der oder jeder Wellenleiter kann eine Lichtleitfaser sein.
Vorteilhafterweise ist eine vorbestimmte Differenz zwischen der Länge eines ersten optischen Weges von dem Wellenleiter zur mittleren Position (d.h. schwingungsfreien Position) des ersten Elementes und zurück zu dem oder dem weiteren Wellenleiter und der Länge eines zweiten optischen Weges von dem Wellenleiter zum Referenzreflektor und zurück zu dem oder dem weiteren Wellenleiter vorhanden. Vorteilhafterweise entspricht die Weglängendifferenz einem Viertel einer Wellenlänge der Beleuchtung, wenn die Beleuchtung im wesentlichen monochromatisch ist.
Die Beleuchtung kann Infrarotlicht, sichtbares Licht oder UV-Licht umfassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Druckmessvorrichtung bereitgestellt, umfassend einen Messwandler gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Beleuchtungsmittel zum Beleuchten des ersten Elementes und des Referenzreflektors, und einen Photodetektor, der auf Beleuchtung anspricht, die von dem ersten Element und dem Referenzreflektor reflektiert wird, um ein auf die Schwingungsfrequenz des ersten Elementes hinweisendes Signal bereitzustellen.
Das Beleuchtungsmittel wird vorzugsweise so gesteuert, dass die Auflichtbeleuchtung auf das erste Element amplitudenmoduliert wird, um das erste Element in seiner Resonanzfrequenz in Schwingung zu halten.
Die vorliegende Erfindung wird ausführlicher beispielhaft unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Druckwandlers gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt eines Druckwandlers gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine Ansicht einer Membran mit einer ersten und einer zweiten darauf ausgebildeten Brücke;
Fig. 4 eine Ansicht einer Membran mit einer ersten Brücke und einem schwingungsfreien Referenzreflektor, die darauf ausgebildet sind; und
Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung der ersten und der zweiten Brücke parallel zur Längsachse der Brücken.
Der in Fig. 1 dargestellte Druckwandler 1 weist einen von einem oberen Abschnitt 4 durch ein Glasabstandsstück 6 getrennten Basisabschnitt 2 auf. Der untere Abschnitt 2 hat einen darin ausgebildeten V-Schlitz 8, der zwischen einer Seitenwand 10 des unteren Abschnitts 2 und einer im unteren Abschnitt 2 ausgebildeten Ausnehmung 12 verläuft. Ein Endabschnitt des Schlitzes 8 liegt einer Reflexionswand 14 der Ausnehmung 12 gegenüber. Der Endabschnitt des Schlitzes 8 ist parallel zu einer Oberfläche 16 des unteren Abschnitts 2 angeordnet und bildet mit der Reflexionswand 14 einen Winkel von 45º.
Der obere Abschnitt 4 weist zwei gegenüberliegende Ausnehmungen 18 und 20 auf, die zusammenwirken, um eine Membran 22 zu definieren. Ein erster und ein zweiter Träger 24 und 26 bringen jeweils eine erste Brücke 28 an der Membran 22 an, wie in Fig. 3 zu sehen ist. Eine zweite Brücke 30 wird ebenfalls von dem ersten und dem zweiten Träger 24 und 26 getragen. Die zweite Brücke 30 ist breiter und/oder dicker und/oder besteht aus einem anderen Material als die erste Brücke 28 und weist eine Resonanzfrequenz auf, die sich von der der ersten Brücke unterscheidet.
Eine Lichtleitfaser 31 wird in den V-Schlitz 8 eingeführt und darin zum Beispiel mit Lötmetall 32 so versiegelt, dass sich ein Ende 34 der Faser 31 neben der Reflexionswand 14 befindet.
Der obere Abschnitt 4 wird in einer Vakuumumgebung so am unteren Abschnitt 2 befestigt, dass die Ausnehmungen 12 und 18 zusammenwirken, um eine Vakuumkammer zu definieren. Die erste und die zweite Brücke 28 und 30 befinden sich in der Nähe der Reflexionswand 14, so dass Licht von der Faser 31 von der Wand 14 auf die erste und die zweite Brücke reflektiert wird, und dass von der ersten und der zweiten Brücke reflektiertes Licht zur Lichtleitfaser 30 zurückgeleitet wird.
Der Schlitz 8, die Ausnehmung 12 und die Reflexionswand 14 können durch anisotropes Ätzen von Silizium mit einer {110} Oberfläche gebildet werden. Der Schlitz 8 hat Wände, die in {111} Kristallsymmetrieebenen liegen, und die Reflexionswand 14 liegt in einer {100} Kristallsymmetrieebene. Die Membran 22 im oberen Abschnitt 4 wird jeweils durch Ätzen einer oberen und einer unteren Fläche 36 und 38 gebildet, die in {110} Kristallsymmetrieebenen liegen. Der erste und der zweite Träger 24 und 26 sowie die erste und die zweite Brücke 28 und 30 können dadurch gebildet werden, dass Bereiche der unteren Fläche 38 abgedeckt und die Regionen des Siliziums bordotiert werden, die die Brücken 28 und 30 bilden sollen, so dass diese Regionen ätzresistent gemacht werden. Während des Ätzens entfernt das Ätzmittel das Silizium unterhalb der bordotierten Bereiche, um die auf ihren Trägern 24 und 26 gehaltenen Brücken 28 und 30 stehen zu lassen. Verfahren zur Bildung des Schlitzes 8, der Ausnehmung 12, der Reflexionswand 14 und der Brücken 28 und 30 sind in der europäischen Patentanmeldung 0555968A offenbart. Der obere Abschnitt 4 und der untere Abschnitt 2 werden durch elektrostatische Bindung am Glasabstandsstück 6 aneinander befestigt.
Bei der Verwendung wird eine erste Oberfläche 40 der Membran 22 einem Fluid ausgesetzt, dessen Druck gemessen werden soll. Der auf die Fläche 40 wirkende Druck lässt die Membran verformen, so dass sich die mittlere Sektion der Membran in Richtung auf die Reflexionswand 14 bewegt. Die Verformung bringt eine Kraft auf, die dazu neigt, die erste und die zweite Brücke 28 und 30 zu strecken, so dass ihre Resonanzfrequenzen verändert werden. Die Bewegung des mittleren Abschnitts der Membran kann bei bis zu 5 Mikron liegen, wohingegen die Spitze-Spitze-Verschiebung des Resonators etwa 10 bis 50 Nanometer beträgt.
Dieser große Bewegungsbereich kann bei bekannten Messwandlern, die auf Interferometrie setzen, eine Signalschwächung verursachen, wenn sich die Wegdifferenz im Interferometer durch die Bewegung der Membran einer ganzen Zahl von Halbwellenlängen nähert. Der vergleichsweise große Bewegungsbereich verursacht in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung jedoch keine Signalschwächung, da die Bewegung der ersten Brücke 28, die als Resonanzsensor wirkt, durch die Bewegung der zweiten Brücke 30, die als Referenzreflektor wirkt, verfolgt wird.
Vom Ende 34 der Lichtleitfaser 31 wird Licht in Richtung auf die erste und die zweite Brücke 28 und 30 über die Reflexionswand 14 geleitet. Die erste Brücke 28 ist so angeordnet, dass sie in ihrer Resonanzfrequenz schwingt und dadurch davon reflektiertes Licht phasenmoduliert, im Vergleich zu Licht, das von der schwingungsfreien zweiten Brücke 30 reflektiert wird. Das von der ersten und der zweiten Brücke reflektierte Licht erfährt eine Interferenz, während es in die Lichtleitfaser 30 eintritt. Von dem Messwandler 1 zurückkehrendes Licht wird folglich in der Resonanzfrequenz der ersten Brücke 28 amplitudenmoduliert. Ferner ist die Intensität der Modulation im wesentlichen unabhängig vom Grad der von der Membran 22 erfahrenen Ablenkung.
In einer alternativen Anordnung kann die zweite Brücke 30 weggelassen und ein Sockel 42 auf der Membran 22 neben der ersten Brücke 28 ausgebildet werden (siehe Fig. 4) Alternativ kann die Oberfläche der Membran 22 als Referenzreflektor verwendet werden.
Als weitere Alternative kann die Reflexionswand 14 weggelassen und der Endabschnitt 34 der Lichtleitfaser 31 so profiliert werden, dass eine Oberfläche 43 gebildet wird, die Licht auf die Brücken 28 und 30 richtet und davon empfängt (siehe Fig. 2). Die Oberfläche 43 bildet in Bezug zur Längsachse der Lichtleitfaser 31 einen Winkel von 45º.
Es ist eher die Differenz zwischen der Länge eines ersten optischen Weges vom Ende 34 der Faser zur ersten Brücke 28 und wieder zurück und einem zweiten optischen Weg vom Ende 34 der Faser zum Referenzreflektor 30 oder 42 und wieder zurück, die die Interferenz hervorruft, als die tatsächliche Länge der optischen Wege. Die Länge des ersten und des zweiten optischen Weges kann absichtlich unterschiedlich gestaltet werden. Die Höhe des Referenzreflektors in Bezug zur Membran kann zum Beispiel so ausgewählt werden, dass sie im Vergleich zur (schwingungsfreien) Ruheposition der ersten Brücke 28 etwa 100 Nanometer näher zu oder weiter entfernt ist von der Membran. Eine solche Differenz baut eine Phasenverschiebung von etwa einem Viertel einer Wellenlänge zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Weg ein, wenn der Messwandler mit Licht mit einer Wellenlänge von etwa 800 Nanometern beleuchet wird. Eine solche Phasendifferenz gewährleistet, dass der Messwandler mit maximaler Sensitivität arbeitet. Die Differenz bei den Weglängen kann dadurch erzeugt werden, dass der Referenzreflektor mit einer dünnen Reflexionsschicht 44 beschichtet wird (siehe Fig. 5). Die Schicht 44 kann eine Metallschicht sein. Die Differenz bei den Weglängen kann auch durch Oxidieren der ersten Brücke 28 oder des Referenzreflektors 30 oder 42 erreicht werden, oder indem die erste Brücke und der Referenzreflektor in unterschiedlichem Maße oxidiert werden. Durch die Oxidation wird die Siliziumoberfläche aufgebraucht. Wird eine Oberfläche mehr als die andere oxidiert und anschließend das Oxid durch Ätzen entfernt, dann kann die Höhenstufe gemäß Fig. 5 produziert werden. In diesem Fall wäre die Schicht 44 jedoch ein integrierter Bestandteil des Referenzreflektors 30.
Die erste Brücke 28 kann durch Intensitätsmodulieren des darauf auftreffenden Lichtes in Schwingung versetzt werden, und zwar in einer Frequenz, die im wesentlichen der Resonanzfrequenz der ersten Brücke 28 entspricht. Die zweite Brücke 30 bleibt im wesentlichen unbeeinflusst, da sie eine Resonanzfrequenz hat, die sich von der der ersten Brücke unterscheidet. Die zweite Brücke bleibt folglich im wesentlichen stationär und wirkt als ein schwingungsfreier Referenzreflektor.
Es ist somit möglich, einen interferometrischen Resonanzsensor bereitzustellen, der keinen Signalausfall erleidet.

Claims

1. Messwandler, umfassend ein schwingbares erstes Element (28), das als Reaktion auf die Bewegung eines ersten Teils eines zweiten Elementes (22) beweglich ist, wobei das erste Element (28) eine Resonanzfrequenz aufweist, die von der Position des ersten Teils des zweiten Elementes (22) abhängig ist, und einen Referenzreflektor (30, 42), dadurch gekennzeichnet, dass sich der Referenzreflektor (30, 42) neben dem ersten Element (28) befindet, im Gebrauch im wesentlichen schwingungsfrei ist und als Reaktion auf die Bewegung des ersten Teils des zweiten Elementes beweglich ist, und dadurch, dass das erste Element (28) so angeordnet ist, dass es mit dem Referenzreflektor (30, 42) zusammenwirkt, um ein Interferometer zu bilden.

2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (28) eine erste Brücke ist, die auf einem ersten und einem zweiten Träger (24, 26) getragen wird, von denen wenigstens einer an dem zweiten Element befestigt ist, so dass eine Bewegung des ersten Teils des zweiten Elementes (22) die von der ersten Brücke (28) erfahrene Belastung ändert.

3. Messwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzreflektor eine zweite Brücke (30) ist, die auf wenigstens einem Träger getragen wird, der an dem zweiten Element (22) befestigt ist.

4. Messwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brücke (30) auf wenigstens dem ersten oder dem zweiten Träger (24, 26) getragen wird.

5. Messwandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brücke (30) eine andere Größe und/oder Zusammensetzung als die erste Brücke (28) hat, so dass die Resonanzfrequenzen der ersten und der zweiten Brücke unterschiedlich sind.

6. Messwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzreflektor (42) ein Sockel ist, der an dem zweiten Element (22) befestigt oder ein Teil des zweiten Elementes (22) ist.

7. Messwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element eine Membran (22) und der erste Teil des zweiten Elementes ein Abschnitt der Membran ist, der sich bewegt, wenn sich die Membran (22) unter dem Einfluss einer darauf wirkenden Kraft verformt.

8. Messwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (28) und der Referenzreflektor (30, 42) an einer ersten Seite der Membran (22) befestigt sind und eine zweite Seite (40) der Membran (22) 50 angeordnet ist, dass sie einem Fluid ausgesetzt wird, dessen Druck gemessen werden soll.

9. Messwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Element (28, 22) und der Referenzreflektor (30, 42) durch Ätzen eines Siliziumblocks gebildet werden.

10. Messwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element. (28) und der Referenzreflektor (30, 42) durch Strahlung beleuchtet werden, die über einen ersten Wellenleiter (31) bereitgestellt wird, und Strahlung, die von dem ersten Element (28) und dem Referenzreflektor (30, 42) reflektiert wird, von dem ersten oder einem weiteren Wellenleiter (31) empfangen wird.

11. Messwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorbestimmte Differenz zwischen der Länge eines ersten optischen Weges von dem ersten Wellenleiter (31) zur mittleren Position des ersten Elementes (28) und zurück zum ersten oder weiteren Wellenleiter (31) und der Länge eines zweiten optischen Weges von dem ersten Wellenleiter (31) zum Referenzreflektor (30, 42) und zurück zum ersten oder weiteren Wellenleiter (31) vorhanden ist.

12. Messwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung im wesentlichen monochromatisch ist und die Wegdifferenz im wesentlichen einem Viertel einer Wellenlänge der Strahlung entspricht.

13. Druckmessgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es folgendes umfasst: einen Messwandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, ein Beleuchtungsmittel zum Beleuchten des ersten Elementes (28) und des Referenzreflektors (30, 42), und einen Photodetektor, der auf Beleuchtung anspricht, die von dem ersten Element und dem Referenzreflektor reflektiert wird, um ein auf die Schwingungsfrequenz des ersten Elementes (28) hinweisendes Signal bereitzustellen.

14. Druckmessgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsmittel so gesteuert wird, dass die Auflichtbeleuchtung auf das erste Element (28) amplitudenmoduliert wird, um das erste Element (28) in seiner Resonanzfrequenz in Schwingung zu halten.