Silizium-Resonanz-Differenzdrucksensor

Ein Silizium-Resonanz-Differenzdrucksensor ist eine Art Resonanzsensor, der mithilfe der Silizium-Mikrobearbeitungstechnologie hergestellt wird und speziell für die Messung der Druckdifferenz zwischen zwei Druckeinlässen entwickelt wurde. Sein Kernprinzip besteht in der Bestimmung des Differenzdruckwerts durch Messung der Änderung der Eigenfrequenz eines einkristallinen Silizium-Resonanzstrahls.

 

Es vereint perfekt die Vorteile dreier fortschrittlicher Technologien:

1. Differenzdruckmessung:Geeignet für kritische Anwendungen wie Durchfluss- und Füllstandmessung.

2. Resonanzprinzip:Bietet beispiellose Genauigkeit und Langzeitstabilität.

3. Silizium-MEMS-Technologie:Ermöglicht Miniaturisierung, Serienproduktion und hohe Zuverlässigkeit.

Sein Kern ist eine komplexe Mikrostruktur, die mittels MEMS-Technologie auf einem Siliziumwafer hergestellt wird.

Kernstruktur:

• Eine dreischichtige Verbundstruktur aus Glas-Silizium-Glas.
• Obere Glasschicht: Enthält Druckeinlasslöcher, die mit der Hochdruckseite verbunden sind.
• Untere Glasschicht: Enthält Druckeinlasslöcher, die mit der Niederdruckseite verbunden sind.
• Mittlere Siliziumschicht: Mikrobearbeitet und enthält:

Sensormembran: Eine dünne, aber robuste Siliziummembran, die den Druckunterschied auf beiden Seiten erfasst.

Resonanzbalken: Diese schwebenden Siliziumbalkenstrukturen befinden sich über der Sensormembran (oder sind in diese integriert). Typischerweise befinden sich in einem Sensor zwei identische Resonanzstrahlen, die sich jeweils in der Mitte und am Rand der Membran befinden.

Antriebselektroden und Aufnahmeelektroden: Werden verwendet, um die Resonanzstrahlen in Schwingungen anzuregen und ihre Schwingungsfrequenz zu erfassen.

Betriebsablauf:

• Differenzdruck anlegen: Hochdruck (P1) und Niederdruck (P2) wirken auf beiden Seiten der Messmembran.
• Membranverformung: Der Druckunterschied führt dazu, dass die Sensormembran eine geringfügige Biegeverformung erfährt.
• Spannungserzeugung: Diese Verformung erzeugt eine Spannungsverteilung auf der Membran:

Der Resonanzstrahl in der Mitte der Membran erfährt eine Druckspannung.

Der Resonanzbalken am Rand der Membran erfährt eine Zugspannung.

Frequenzänderung:

Nach dem Resonanzprinzip führt eine Druckspannung dazu, dass die Resonanzfrequenz abnimmt.

Durch Zugbeanspruchung erhöht sich seine Resonanzfrequenz.

Differenzmessung: Der Sensor misst die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Resonanzstrahlen (Δf=f₁ - f₂).

Der Ausgang ist die Differenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen, was erhebliche Vorteile bietet:

Häufige-Modusfehler-Ablehnung:

• Temperatureffekte:Steigt die Temperatur, ändern sich die Frequenzen beider Resonanzstrahlen in die gleiche Richtung (z. B. nehmen beide ab), ihr Frequenzunterschied bleibt jedoch unverändert.
• Statische Druckeffekte:Ein auf beide Seiten ausgeübter ähnlicher statischer Druck wirkt sich auf beide Strahlen gleichermaßen aus und ihr Frequenzunterschied bleibt ebenfalls stabil.
• Extrem hohe Genauigkeit und Auflösung:Die Frequenz kann mit äußerster Präzision gemessen werden, was zu einer sehr hohen Sensorauflösung und Wiederholbarkeit mit einer Genauigkeit von ±0,075 % oder sogar mehr führt.
• Von Natur aus digital:Der Ausgang ist ein Frequenzsignal, das eine starke Entstörungsfähigkeit bietet und von digitalen Systemen leicht verarbeitet werden kann.

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