EP2316005A1 - Sensor in mikromechanischer bauweise - Google Patents

Sensor in mikromechanischer bauweise

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Publication number
EP2316005A1
EP2316005A1 EP09781170A EP09781170A EP2316005A1 EP 2316005 A1 EP2316005 A1 EP 2316005A1 EP 09781170 A EP09781170 A EP 09781170A EP 09781170 A EP09781170 A EP 09781170A EP 2316005 A1 EP2316005 A1 EP 2316005A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vibration
measuring
measuring tube
transducer
damping device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09781170A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mamadi Keita
Christian Schütze
Jenish Gheewala
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP2316005A1 publication Critical patent/EP2316005A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/78—Direct mass flowmeters
    • G01F1/80—Direct mass flowmeters operating by measuring pressure, force, momentum, or frequency of a fluid flow to which a rotational movement has been imparted
    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/8409—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details
    • G01F1/844—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details microfluidic or miniaturised flowmeters
    • G—PHYSICS
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    • G01F1/8409—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details
    • G01F1/8422—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details exciters
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    • G01F1/8409—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details
    • G01F1/8427—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details detectors

Definitions

  • the invention relates to a vibration-type transducer for measuring a mass flow of a flowing medium.
  • measurement devices are often used, in particular as Coriolis mass flow meters, which induce Coriolis forces in the flowing medium by means of a transducer of the vibration type and an operating and evaluation electronics connected thereto and generate a measurement signal derived from these.
  • Such measuring devices with a transducer of the vibration type have long been known and have become equally established in industrial use.
  • Straight measuring tubes cause Coriolis forces in the medium flowing through them when they are excited to bending oscillations according to a first mode of natural vibration, the so-called drive or payload mode.
  • the Coriolis forces lead in turn, that coplanar bending oscillations are superimposed on the excited bending oscillations according to a second natural vibration mode of higher and / or lower order, the so-called Coriolis mode, and accordingly the vibrations detected on the inlet side and outlet side by means of the sensor arrangement have a measurable phase difference which is also dependent on the mass flow exhibit.
  • the measuring tubes of such measuring transducers which are used in particular in Corioiis mass flow meters, are excited in the payload mode at a momentary resonance frequency of the first natural vibration modes, in particular at a constantly controlled oscillation amplitude. Since this resonance frequency is also dependent on the instantaneous density of the medium, the density of flowing media can be measured directly by means of commercially available Coriolis mass flowmeters in addition to the mass flow rate.
  • the vaporizing type transducers known in the art often have a minimum diameter of the tubing of 1mm when very low flow rates are to be measured.
  • the object of the invention is achieved by a Vi b ratio nstyp for measuring a mass flow of a flowing medium in that two straight measuring tubes are provided for guiding the medium, the measuring tubes are arranged parallel to each other and the transducer is designed in micromechanical design.
  • the vibration-type transducer for measuring a mass flow of a flowing medium, such as a liquid or a gas, which allows a reliable measurement of a very low mass flow.
  • the vibration-type transducer according to the invention can have a free lumen of the two measuring tubes in the range of a few ⁇ m 2 .
  • the vibration type transducer of the present invention is producible on a silicon substrate or a glass substrate in a micro-electro-mechanical system (MEMS) imparting method such as polyimps or microcomputers.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • the measuring tubes are brought together at their respective one ends and at their respective other ends in a coupling piece and connected to a pipeline.
  • the couplings may be etched into the wafer or made by anodic bonding.
  • the measuring tubes are mounted swingably on the two coupling pieces.
  • the spring constant of the oscillatable measuring tube can be influenced by the cross section of the measuring tube. This means in particular that by a Increasing the cross-section of the measuring tube, the spring constant of the oscillating measuring tube is increased.
  • the coupling piece is designed as a reservoir.
  • the coupling piece is designed both as a reservoir both at the one end of the measuring tubes and at the other end of the measuring tubes.
  • An embodiment of the coupling piece as a reservoir is particularly advantageous since a thermal expansion, in particular due to a temperature gradient in the transducer, can be reduced in order to reduce a stress caused by the thermal expansion in the measuring tubes.
  • a vibration exciter is provided, wherein the vibration exciter is arranged centrally on the measuring tube and designed such that the measuring tube is displaceable in lateral oscillations.
  • two vibration exciters are provided, wherein the first vibration exciter is arranged centrally on the first measuring tube and the second vibration exciter is arranged centrally on the second measuring tube such that the first vibration exciter is arranged on one side of the measuring tubes and the second vibration exciter the other side of the measuring tubes is arranged, wherein the two vibration exciter and the two measuring tubes are arranged in a plane.
  • the lateral oscillations of the first measuring tube which can be set into oscillation by the first oscillation exciter, are in antiphase to the lateral oscillations of the second measuring tube, which can be set into oscillation by the second oscillation exciter.
  • the vibration exciter as an electrostatic comb drive.
  • the amplitude of the lateral vibrations can be increased by increasing the number of tines of the comb drive or by increasing the number of tines on the electrostatic drive. see comb drive increase applied voltage.
  • a sinusoidal voltage is preferably applied to the vibration exciter, so that the measuring tubes oscillate in their resonant frequency and oscillate in opposite phase in order to obtain a balanced system .
  • the vibration generator can also be designed as a piezoelectric drive.
  • a connecting device attached to and connecting the two measuring tubes for determining the oscillatory length of the measuring tubes and to arrange the connecting device in an end region of the measuring tubes. It is particularly preferred to arrange a first connecting device in an end region of the measuring tubes and to arrange a second connecting device in another end region of the measuring tubes.
  • a damping device is provided for influencing the rigidity of the measuring tube.
  • a damping device is also advantageous during transport of the transducer, as a possible damage to the measuring tubes can be avoided.
  • a first damping device is connected to a first measuring tube and a second damping device connected to a second measuring tube such that the two measuring tubes, the first damping device and the second damping device are arranged in a plane, wherein the measuring tubes between the first damping device and the second damping device are arranged.
  • the damping device is provided in the central region of the measuring tube, that a first part of the damping device is arranged on one side of the vibration exciter on the measuring tube and a second part of the damping device on the other side of the vibration exciter at the Measuring tube is arranged.
  • a damping device is provided, which is preferably arranged centrally on the measuring tube, wherein a first part of the damping device and a second part of the damping device are arranged symmetrically about the also preferably arranged centrally on the measuring tube vibration exciter.
  • the first part of the damping device, the second part of the damping device, the measuring tube and the vibration generator are arranged in a plane.
  • the damping device which is preferably designed as a first part of the damping device and as a second part of the damping device, can be designed as desired. According to a preferred embodiment of the invention, however, it is provided that the first part of the damping device and the second part of the damping device each comprise two spaced apart parallel plates, wherein the plates are connected at one end to the measuring tube, that the plates parallel to the Measuring tube are arranged, and wherein the plates are connected at another end with a vibration-proof to the measuring tube arranged region.
  • the first part of the damping device and the second part of the damping device are preferably formed as two spaced apart parallel leaf springs, wherein the leaf springs are connected at one end to the measuring tube such that the leaf springs are arranged parallel to the measuring tube, and the leaf springs are connected at the other end with a vibration-resistant to the measuring tube arranged region, such as the silicon substrate.
  • the rigidity of the measuring tubes which are arranged vibrationally and can be displaced by the vibration exciter in lateral vibrations, can be varied.
  • an arbitrarily executed vibration sensor can be provided.
  • at least one vibration transducer is provided, which is designed as a comb structure with a capacitive sensor.
  • a first vibration sensor and a second vibration sensor are provided, wherein the first vibration sensor is preferably arranged in a central region between the one end of the measuring tube and the vibration exciter, and the second vibration sensor between the vibration generator and the vibration sensor the other end of the measuring tube is arranged on the measuring tube.
  • the number of tines of the comb structure of the vibration sensor can be increased.
  • An improvement in the signal-to-noise ratio can also be achieved by increasing the length of the measuring tube, thereby also increasing the distance between the first vibration sensor and the second vibration sensor.
  • a recess is provided below the measuring tube to a lateral guidance of the measuring tube.
  • the recess is provided below the measuring tube in the central region of the measuring tube.
  • the transducer is manufactured in PolyMUMPS technology.
  • a structural layer of the measuring tube is made of polyI, wherein two poly-poly-via-layers, which form the side walls of the measuring tube, are provided on the poly-layer.
  • a poly2 layer preferably forms the ceiling of the measuring tube, with an oxide-2 layer being removed by an etching step to form the channel of the measuring tube.
  • FIG. 1 shows a vibration-type transducer according to a preferred embodiment of the invention in a perspective plan view
  • FIG. 2 shows two measuring tubes according to the preferred embodiment of the invention in a sectional view.
  • the vibration-type transducer 1 has two straight measuring tubes 2, two vibration exciters 3 and four vibration pickups 4.
  • the vibration type 1 transducer is made using PolyMUMPS technology, with the length of the measuring tube 2 being 660 ⁇ m.
  • the two measuring tubes 2 are each brought together at their respective one ends and at their respective other ends in a coupling piece 5 and connected to a pipeline, not shown.
  • the measuring tubes 2 are mounted swingably on the two coupling pieces 5.
  • the measuring tubes 2 can be produced in a wafer bonding method, wherein an anodic bonding method is used to produce the coupling pieces 5, that is to say a connection of the measuring tubes 2 to the pipeline.
  • the inputs and outputs of the measuring tubes 2 can be realized by means of an etching process.
  • the transition to the pipeline can be realized by means of Pyrex 7740 Gias connections, which are bonded to a silicon substrate of the measuring tubes 2 at a voltage of 500 V to 1000 V and a temperature of 26O 0 C to 400 0 C.
  • the coupling pieces 5 are designed as a reservoir, so that a thermal expansion of the measuring tubes 2, in particular by a temperature gradient in the vibrating type measuring vibrator 1, can be compensated.
  • two vibration exciters 3 are provided, which are designed as electrostatic comb drives.
  • a sinusoidal voltage is applied to the electrostatic comb drives, so that the measuring tubes 2 oscillate on the one hand in their resonant frequency and on the other hand oscillate out of phase in order to obtain a balanced sys- tem.
  • a first vibration exciter 3 is arranged on one side of the measuring tubes 2 and a second vibration exciter 3 on the other side of the measuring tubes 2 such that the measuring tubes 2, the first vibration exciter 3 and the second vibration exciter 3 in FIG lie on a plane.
  • a damping device 6 is provided for influencing the rigidity of the measuring tube 2.
  • the damping device 6 is arranged in the middle region of the measuring tube 2, wherein a first part of the damping device 7 is arranged on one side of the vibration generator 3 and a second part of the damping device 8 is arranged on the other side of the vibration generator 3.
  • the first part of the damping device 7 and the second part of the damping device 8 essentially comprise two mutually spaced parallel leaf springs 9, which are arranged parallel to the measuring tube 2, so that the spaced apart parallel leaf springs 9 are connected at one end to the measuring tube 2 and are connected at another end with a vibration-proof arranged to the measuring tube 2 area.
  • the vibrating-type transducer 1 further comprises four vibration pickups 4, each of which is implemented as a comb structure with a capacitive sensor. As can be seen from FIG. 1, the vibration sensors 4 are each arranged in a middle region between the vibration generator 3 and the end of the measuring tubes 2.
  • connecting devices 10 each fastened to and connected to both measuring tubes 2 for determining the oscillatory length the measuring tubes 2 are provided, wherein the connecting means 10 are arranged in an end region of the measuring tubes 2.
  • the vibrating transducer has two symmetry planes. It goes without saying that in each case one vibration exciter and one vibration transducer each in the inlet and in the outlet region are sufficient to be sufficient for the transducer.
  • the dual design ensures redundancy both in terms of measurement accuracy and in terms of ensuring the correct functioning of the transducer in the event of failure of one of the two vibration exciters or one of the two vibration sensors.
  • the measuring tube 2 has a bottom layer, which is made of a polyimide layer 11.
  • two poly-poly 2 via layers 12 are arranged, which form the side walls of the measuring tube 2.
  • the lid of the measuring tube 2 is formed by a Poiy2 layer 13.
  • An oxide 2 layer 14 is provided for forming a channel of the measuring tube 2, wherein the oxide 2 layer 14 is etched away by a later manufacturing step of the polyMUMPS manufacturing process.
  • the PoIyI layer 11, which forms the bottom layer of the measuring tube 2 is 27 microns wide, 660 microns long and has a thickness of 2 microns.
  • the height of the poly-poly 2 via layer 12 is 0.75 ⁇ m, as is the height of the oxide 2 layer 14.
  • the height of the poly 2 layer 13 is 1.5 ⁇ m.
  • the measuring tubes 2 are vibrated by means of the vibration exciter 3 by applying a sinusoidal voltage in their resonant frequency.
  • the lateral displacement of the measuring tubes 2 is by the sensor 4 measured, wherein the mass flow rate by measuring a phase difference between the sinusoidal voltages which are measured at a first vibration sensor 4 and a second vibration sensor 4, wherein the first vibration sensor 4 is provided in an upper region of the measuring tube 2 and the second vibration sensor 4 in a lower portion of the measuring tube 2 is provided.
  • the length of the measuring tube 2 can be increased so as to increase the distance between the first vibration sensor 4 and the second vibration sensor 4. Furthermore, by increasing the width of the channel of the measuring tube 2, the oscillation constant of the lateral oscillation of the measuring tube 2 can be increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Messwandler vom Vibrationstyp (1) zum Messen eines Massendurchflusses eines strömenden Mediums, mit zwei geraden Messrohren (2) zum Führen des Mediums, wobei die Messrohre (2) parallel zueinander angeordnet sind und der Messwandler in mikromechanischer Bauweise ausgeführt ist. Der erfindungsgemäße Messwandler vom Vibrationstyp (1) erlaubt die zuverlässige Messung kleinster Massendurchfl?sse eines strömenden Mediums, wie beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases.

Description

Sensor in mikromechanischer Bauweise
Die Erfindung betrifft einen Messwandler vom Vibrationstyp zum Messen eines Massendurchflusses eines strömenden Mediums.
Zur Ermittlung des Massendurchflusses eines in einer Rohrleitung strömenden Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit und/oder eines Gases, werden oftmals insbesondere als Coriolis-Massendurchflussmesser ausgebildete Messgeräte verwendet, die mittels eines Messwandlers vom Vibrationstyp und einer daran angeschlossenen Betriebs- und Auswerteeiektronik im strömenden Medium Corioliskräfte induzieren und von diesen abgeleitet ein Messsignal erzeugen. Derartige Messgeräte mit einem Messwandfer vom Vibrationstyp sind seit langem bekannt und haben sich gleichermaßen im industriellen Einsatz etabliert.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Realisierungen von Corioiis-Massen- durchflussmessern mit jeweils einem Messwandler vom Vibrationstyp bekannt, wobei der Messwandler im Wesentlichen ein gerades, im Betrieb vibrierendes Messrohr zum Führen des Mediums umfasst, und wobei das Messrohr über ein einlassseittg einmündendes Einlassrohrstück und über ein ausiassseitig einmündendes Auslass- rohrstück mit der Rohrleitung kommuniziert. Ferner weisen derartige Realisierungen vielfach eine Erregeranordnung auf, die das Messrohr im Betrieb mittels wenigstens eines darauf einwirkenden elektromechanischen, insbesondere elektro-dynamischen, Schwingungserregers zu Biegeschwingungen anregt, und eine Sensoranordnung auf, welche mit insbesondere elektro-dynamischen Schwingungssensoren zum zu- mindest punktuellen Erfassen einlassseitiger und auslassseitiger Schwingungen des Messrohrs und zum Erzeugen von vom Massendurchfluss beeinflussten elektrischen Sensorsignalen vorgesehen ist.
Gerade Messrohre bewirken im hindurchströmenden Medium Corioliskräfte, wenn sie zu Biegeschwingungen gemäß einer ersten Eigenschwingungsform, dem sogenannten Antriebs- oder auch Nutz-Mode, angeregt werden. Die Corioliskräfte führen wiederum dazu, dass den angeregten Biegeschwingungen koplanare Biegeschwingungen gemäß einer zweiten Eigenschwingungsform von höherer und/oder niederer Ordnung, dem sogenannten Coriolis-Mode, überiagert werden und dementsprechend die mittels der Sensoranordnung einlassseitig und auslassseitig erfassten Schwin- gungen eine auch vom Massendurchfiuss abhängige, messbare Phasendifferenz aufweisen.
Üblicherweise werden die Messrohre derartiger, besonders im Corioiis- Massendurch-flussmessern eingesetzten, Messwandler im Nutzmode auf einer mo- mentanen Resonanzfrequenz der ersten Eigenschwingungsformen, insbesondere bei konstant geregelter Schwingungsamplitude, angeregt. Da diese Resonanzfrequenz insbesondere auch von der momentanen Dichte des Mediums abhängig ist, kann mittels marktüblicher Corioiis-Massendurch-flussmesser neben dem Massendurchfiuss zumindest auch die Dichte von strömenden Medien direkt gemessen wer- den.
Um ein mechanisch ausbalanciertes System zu erhalten, werden vielfach zwei parallele Messrohre vorgesehen, die zu gegenphasigen Schwingungen angeregt werden. Derartige Messwandler vom Vibrationstyp mit zwei parallel angeordneten Messroh- ren sind beispielsweise aus der US 4 768 385 oder der DE 34 43 234 A1 bekannt.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Messwandler vom Väbrationstyp weisen oftmals einen minimalen Durchmesser der Rohrleitung von 1 mm auf, wenn sehr geringe Durchflüsse gemessen werden sollen. In vielen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise der Biotechnologie, der Chemie oder der Medizäntechnik, ist es jedoch vielfach notwendig, einen noch geringerer Massendurchfiuss zu messen, der demzufolge auch einen noch geringeren Durchmesser einer Rohrleitung von deutlich weniger afs 1 mm benötigt, um ein Signal mit einem akzeptablem Signal-Rausch- Verhältnis zu erzielen. Insofern ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Messwandler vom Vibrationstyp anzugeben, mit dem ein sehr geringer Massendurchfiuss zuverlässig messbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Messwandler vom Vi b ratio nstyp zum Messen eines Massendurchflusses eines strömenden Mediums dadurch gelöst, dass zwei gerade Messrohren zum Führen des Mediums vorgesehen sind, wobei die Messrohre parallel zueinander angeordnet sind und der Messwandler in mikromechanischer Bauweise ausgeführt ist.
Erfändungsgemäß ist damit ein Messwandier vom Vibrationstyp zum Messen eines Massedurchflusses eines strömenden Mediums, wie beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases, vorgesehen, der eine zuverlässige Messung eines sehr geringen Massendurchflusses erlaubt. So kann der erfindungsgemäße Messwandler vom Vibrationstyp aufgrund der mikromechanischen Bauweise ein freies Lumen der beiden Messrohre im Bereich einiger μm2 aufweisen. Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Messwandler vom Vibrationstyp in einem Mikro-Elektro-Mechanical-System (MEMS)-Hersteilungsverfahren, wie beispielsweise PoIyMUMPS oder Microbuüder, auf einem Siliziumsubstrat oder einem Glassubstrat herstellbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messrohre an ihren jeweiligen einen Enden und an ihren jeweiligen anderen Enden in einem Kupplungsstück zusammengeführt und mit einer Rohrleitung verbunden sind. Während des zuvor erwähnten bevorzugten MEMS-Herstellungsverfahrens, bei dem der Messwandler vom Vibrationstyp mittels eines Wafer-Bonding-Verfahrens herstellbar ist, können die Kupplungsstücke in den Wafer geätzt werden oder mittels anodischem Bonding hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messrohre an den beiden Kupplungsstücken schwingbar gelagert sind. Da- bei kann die Federkonstante des schwingbaren Messrohrs durch den Querschnitt des Messrohrs beeinflusst werden. Das bedeutet insbesondere, dass durch eine Vergrößerung des Querschnitts des Messrohrs die Federkonstante des schwingbaren Messrohrs erhöht wird.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kupplungsstück als Reservoir ausgeführt ist. Ganz besonders bevorzugt ist das Kupplungsstück sowohl an dem einen Ende der Messrohre als auch an dem anderen Ende der Messrohre jeweils als Reservoir ausgeführt. Eine Ausführung des Kupplungsstücks als Reservoir ist insbesondere vorteilhaft, da eine thermische Ausdehnung, insbesondere aufgrund eines Temperaturgradienten in dem Messwandler, reduziert werden kann, um eine durch die thermische Ausdehnung hervorgerufene Spannung in den Messrohren zu verringern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Schwingungserreger vorgesehen, wobei der Schwingungserreger mittig an dem Messrohr angeordnet und derart ausgeführt ist, dass das Messrohr in laterale Schwingungen versetzbar ist. Ganz besonders bevorzugt sind zwei Schwingungserreger vorgesehen, wobei der erste Schwingungserreger derart mittig an dem ersten Messrohr angeordnet ist und der zweite Schwingungserreger derart mittig an dem zweiten Messrohr angeordnet ist, dass der erste Schwingungserreger an der einen Seite der Messrohre angeordnet ist und der zweite Schwingungserreger an der anderen Seite der Messrohre angeordnet ist, wobei die beiden Schwingungserreger und die beiden Messrohre in einer Ebene angeordnet sind. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die lateralen Schwingungen des ersten Messrohres, welches durch den ersten Schwingungserreger in Schwingungen versetzbar ist, gegenphasig zu den lateralen Schwingungen des zweiten Messrohres sind, welches durch den zweiten Schwingungserreger in Schwingungen versetzbar ist.
Weiterhin ist es gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, den Schwingungserreger als einen elektrostatischen Kammantrieb auszuführen. Die Amplitude der lateralen Schwingungen lässt sich einerseits durch Erhöhung der Anzahl der Zinken des Kammantriebs oder durch Erhöhung der an dem elektrostatä- sehen Kammantrieb angelegten Spannung erhöhen. Um eine optimale Leistungseffizienz des Messwandler und eine maximale laterale Schwingungsauslenkung der Messrohre zu erreichen, wird vorzugsweise eine sinusförmige Spannung an die Schwingungserreger angelegt, so dass die Messrohre zum einen in ihrer Resonanz- frequenz schwingen und zum anderen gegenphasig schwingen, um ein ausbalanciertes System zu erhalten. Darüber hinaus kann der Schwingungserreger auch als piezoelektrischer Antrieb ausgestaltet sein.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es bevorzugt, eine an beiden Messrohren befestigte und diese verbindende Verbindungseinrichtung zur Festlegung der schwingungsfähigen Länge der Messrohre vorzusehen und die Verbindungseinrichtung in einem Endbereich der Messrohre anzuordnen. Ganz besonders ist es bevorzugt, eine erste Verbindungseinrichtung in einem Endbereich der Messrohre anzuordnen und eine zweite Verbindungseinrichtung in einem anderen Endbe- reich der Messrohre anzuordnen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine Dämpfungseinrichtung zur Beeinflussung der Steifigkeit des Messrohrs vorgesehen ist. Eine derartige Dämpfungseinrichtung ist ferner vorteilhaft während eines Transportes des Messwandlers, als dadurch ein möglicher Schaden an den Messrohren vermieden werden kann. Bevorzugt ist eine erste Dämpfungseinrichtung derart mit einem ersten Messrohr verbunden und eine zweite Dämpfungseinrichtung derart mit einem zweiten Messrohr verbunden, dass die beiden Messrohre, die erste Dämpfungseinrichtung und die zweite Dämpfungseinrichtung in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Messrohre zwischen der ers- ten Dämpfungseinrichtung und der zweiten Dämpfungseinrichtung angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Dämpfungseinrichtung derart im mittleren Bereich des Messrohrs vorgesehen ist, dass ein erster Teil der Dämpfungseinrichtung an der einen Seite des Schwingungserregers an dem Messrohr angeordnet ist und ein zweiter Teil der Dämpfungseinrichtung an der anderen Seite des Schwingungserregers an dem Messrohr angeordnet ist. Mit anderen Worten ist eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen, die vorzugsweise mittig an dem Messrohr angeordnet ist, wobei ein erster Teil der Dämpfungseinrichtung und ein zweiter Teil der Dämpfungseinrichtung symmetrisch um den ebenso vorzugsweise mittig an dem Messrohr angeordneten Schwingungserreger angeordnet sind. Weiterhin ist bevorzugt, dass der erste Teil der Dämpfungseinrichtung, der zweite Teil der Dämpfungseinrichtung, das Messrohr und der Schwingungserreger in einer Ebene angeordnet sind.
Grundsätzlich kann die Dämpfungseinrichtung, welche vorzugsweise als ein erster Teil der Dämpfungseinrichtung und als ein zweiter Teil der Dämpfungseinrichtung ausgeführt ist, beliebig ausgeführt sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der erste Teil der Dämpfungseinrichtung und der zweite Teil der Dämpfungseinrichtung jeweils zwei voneinander beabstandete parallele Platten umfassen, wobei die Platten an einem einen Ende derart mit dem Messrohr verbunden sind, dass die Platten parallel zu dem Messrohr angeordnet sind, und wobei die Platten an einem anderen Ende mit einem zu dem Messrohr schwingfest angeordneten Bereich verbunden sind. Anders ausgedrückt sind der erste Teil der Dämpfungseinrichtung und der zweite Teil der Dämpfungseinrichtung vorzugsweise als zwei voneinander beabstandete parallele Blattfedern ausgebildet, wobei die Blattfedern an dem einen Ende mit dem Messrohr derart verbunden sind, dass die Blattfedern parallel zu dem Messrohr angeordnet sind, und die Blattfedern an dem anderen Ende mit einem zu dem Messrohr schwingfest angeordneten Bereich, beispielsweise dem Siliziumsubstrat, verbunden sind. Somit können durch die Federkonstante der Blattfedern die Steifigkeit der Messrohre, welche schwingfähig angeordnet sind und durch den Schwingungserreger in laterale Schwingungen versetzbar sind, variiert werden.
Grundsätzlich kann ein beliebig ausgeführter Schwingungsaufnehmer vorgesehen sein. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist jedoch vor- gesehen, dass wenigstens ein Schwängungsaufnehmer vorgesehen ist, der als eine Kammstruktur mit einem kapazitiven Sensor ausgeführt ist. Weiterhin sind gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein erster Schwingungsaufnehmer und ein zweiter Schwingungsaufnehmer vorgesehen, wobei der erste Schwingungsaufnehmer vorzugsweise in einem mittleren Be- reich zwischen dem einen Ende des Messrohrs und dem Schwingungserreger angeordnet ist, und der zweite Schwingungsaufnehmer zwischen dem Schwingungserreger und dem anderen Ende des Messrohrs an dem Messrohr angeordnet ist. Weiterhin kann zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses der kapazitiven Sensoren die Anzahl der Zinken der Kammstruktur des Schwingungsaufnehmers erhöht werden. Eine Verbesserung des Signai-Rausch-Verhältnisses kann ferner durch eine Vergrößerung der Länge des Messrohrs erreicht werden, um damit auch die Entfernung zwischen dem ersten Schwingungsaufnehmer und dem zweiten Schwingungsaufnehmer zu vergrößern.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass eine Vertiefung unterhalb des Messrohrs zu einer lateralen Führung des Messrohrs vorgesehen ist. Ganz besonders bevorzugt ist die Vertiefung unterhalb des Messrohrs im mittleren Bereich des Messrohrs vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Messwandler in PolyMUMPS-Technik hergestellt ist. Ganz besonders bevorzugt ist eine Strukturschicht des Messrohrs aus PoIyI ausgeführt, wobei auf der PoIyI -Schicht zwei PoIyI -Poly2 Via-Schichten vorgesehen sind, welche die Seitenwände des Messrohrs ausbilden. Eine Poly2-Schicht bildet vorzugsweise die Decke des Messrohrs, wobei eine Oxid-2 Schicht vorgesehen ist, weiche durch einen Ätzschritt entfernt wird, um den Kanal des Messrohrs zu bilden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 einen Messwandler vom Vibrationstyp gemäß einem bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiei der Erfindung in einer perspektivischen Draufsicht, und
Fig. 2 zwei Messrohre gemäß dem bevorzugten Ausfϋhrungsbeispiei der Erfindung in einer Schnittansicht.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der Messwandler vom Vibrationstyp 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei gerade Messrohre 2, zwei Schwingungserreger 3 sowie vier Schwingungsaufnehmer 4 auf. Der Messwandler vom Vibrationstyp 1 ist in PolyMUMPS-Technik hergestellt, wobei die Länge des Messrohrs 2 660 μm beträgt. Die beiden Messrohre 2 sind an ihren jeweiligen einen Enden und an ihren jeweiligen anderen Enden jeweils in einem Kupplungsstück 5 zusammengeführt und mit einer Rohrleitung, nicht gezeigt, verbunden. Wie aus Fig. 1 femer ersichtlich, sind die Messrohre 2 an den beiden Kupplungsstücke 5 schwingbar gelagert.
Gemäß der PolyMUMPS-Technik sind die Messrohre 2 in einem Wafer-Bonding- Verfahren herstellbar, wobei ein anodisches Bonding-Verfahren genutzt wird, um die Kupplungsstücke 5, also eine Verbindung der Messrohre 2 mit der Rohrleitung, herzustellen. Die Eingänge und Ausgänge der Messrohre 2 können mittels eines Ätzverfahrens realisiert werden. Der Übergang zu der Rohrleitung kann mittels Pyrex 7740 Giasanschlüssen realisiert sein, welche mit einem Siliziumsubstrat der Messrohre 2 bei einer Spannung von 500 V bis 1000 V und einer Temperatur von 26O0C bis 4000C verklebt werden. Ferner sind die Kupplungsstücke 5 ais Reservoir ausgeführt, so dass eine thermische Ausdehnung der Messrohre 2, insbesondere durch einen Temperaturgradienten in dem Messwandier vom Vibrationstyp 1 , kompensiert werden kann.
Im mittleren Bereich der Messrohre 2 sind zwei Schwingungserreger 3 vorgesehen, welche als elektrostatische Kammantriebe ausgeführt sind. Um eine optimale Leis- tungseffizienz und eine maximale laterale Schwingungsauslenkung der Messrohre 2 zu erreichen, wird eine sinusförmige Spannung an die elektrostatischen Kammantriebe angelegt, so dass die Messrohre 2 zum einen in ihrer Resonanzfrequenz schwingen und zum anderen gegenphasig schwingen, um ein ausbalanciertes Sys- tem zu erhalten. Wie weiterhin aus Fig. 1 ersichtlich, ist ein erster Schwingungserreger 3 auf der einen Seite der Messrohre 2 und ein zweiter Schwingungserreger 3 auf der anderen Seite der Messrohre 2 derart angeordnet, dass die Messrohre 2, der erste Schwingungserreger 3 und der zweite Schwingungserreger 3 in einer Ebene liegen.
Weiterhin ist eine Dämpfungseinrichtung 6 zur Beeinflussung der Steifigkeit des Messrohrs 2 vorgesehen. Die Dämpfungseinrichtung 6 ist im mittleren Bereich des Messrohrs 2 angeordnet, wobei ein erster Teil der Dämpfungseinrichtung 7 an der einen Seite des Schwingungserregers 3 angeordnet ist und ein zweiter Teii der Dämpfungseinrichtung 8 an der anderen Seite des Schwingungserregers 3 angeordnet ist. Der erste Teil der Dämpfungseinrichtung 7 und der zweite Teil der Dämpfungseinrichtung 8 umfassen im Wesentlichen zwei voneinander beabstandete parallele Blattfedern 9, welche parallel zu dem Messrohr 2 angeordnet sind, so dass die voneinander beabstandeten parallelen Blattfedern 9 an einem einen Ende mit dem Messrohr 2 verbunden sind und an einem anderen Ende mit einem zu dem Messrohr 2 schwingfest angeordneten Bereich verbunden sind.
Der Messwandler vom Vibrationstyp 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ferner vier Schwingungsaufnehmer 4, welche jeweils als eine Kammstruktur mit einem kapazitiven Sensor ausgeführt sind. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Schwingungsaufnehmer 4 jeweils in einem mittleren Bereich zwischen dem Schwingungserreger 3 und dem Ende der Messrohre 2 angeordnet.
Schiießlich sind zwei jeweils an beiden Messrohren 2 befestigte und diese verbin- dende Verbindungseinrichtungen 10 zur Festlegung der schwingungsfähigen Länge der Messrohre 2 vorgesehen, wobei die Verbindungseinrichtungen 10 in einem Endbereich der Messrohre 2 angeordnet sind.
In der zuvor beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung wird auf die jeweils doppel- te Ausführung der Schwingungserreger 3 bzw. der Schwingungsaufnehmer 4 im Bereich des Einlaufs und des Auslaufs Bezug genommen. Durch die jeweils doppelte Ausführung weist der Messwandler vom Vibrationstyp zwei Symmetrieebenen auf. Es versteht sich von selbst, dass auch jeweils ein Schwingungserreger und jeweils ein Schwingungsaufnehmer im Einiauf und im Auslaufbereich ausreichen, um den Messwandlers ausreichend sind. Durch die doppelte Ausführung wird eine Redundanz sowohl im Hinblick auf die Messgenauigkeit als auch im Hinblick auf eine Sicherstellung des korrekten Funktionierens des Messwandlers beim Ausfall eines der beiden Schwingungserregers oder eines der beiden Schwingungsaufnehmer sichergestellt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist das Messrohr 2 eine Bodenschicht auf, welche aus einer PoIyI Schicht 11 ausgeführt ist. Auf der PoIyI Schicht 11 sind zwei PoIyI -Poly2 Via-Schichten 12 angeordnet, welche die Seitenwände des Messrohrs 2 bilden. Der Deckel des Messrohrs 2 ist durch eine Poiy2 Schicht 13 ausgebildet. Eine Oxid-2 Schicht 14 ist zur Ausformung eines Kanals des Messrohrs 2 vorgesehen, wobei die Oxid-2 Schicht 14 durch einen späteren Herstellungsschritt des PoIyMUMPS- Herstellungsverfahrens weggeätzt wird. Die PoIyI Schicht 11 , welche die Bodenschicht des Messrohrs 2 ausbildet, ist 27 μm breit, 660 μm lang und weist eine Dicke von 2 μm auf. Die Höhe der PoIyI -Poly2 Via-Schicht 12 beträgt 0,75 μm, wie ebenso die Höhe der Oxid-2 Schicht 14. Die Höhe der Poly2 Schicht 13 beträgt 1 ,5 μm.
Um einen Massendurchfluss eines strömenden Mediums dem Messwandler vom Vibrationstyp 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiei der Erfindung zu messen, werden die Messrohre 2 mittels der Schwingungserreger 3 durch Beaufschla- gung einer sinusförmigen Spannung in Schwingungen ihrer Resonanzfrequenz versetzt. Die laterale Verschiebung der Messrohre 2 wird durch die Messaufnehmer 4 gemessen, wobei der Massendurchfluss durch Messung einer Phasendifferenz zwischen den sinusförmigen Spannungen, welche an einem ersten Schwingungsaufnehmer 4 und einem zweiten Schwingungsaufnehmer 4 gemessen werden, wobei der erste Schwingungsaufnehmer 4 in einem oberen Bereich des Messrohrs 2 vor- gesehen ist und der zweite Schwingungsaufnehmer 4 in einem unteren Bereich des Messrohrs 2 vorgesehen ist. Um die Sensitivität des von den Schwingungsaufnehmern 4 gemessenen Signais zu erhöhen, kann die Länge des Messrohrs 2 vergrößert werden, um damit auch den Abstand zwischen dem ersten Schwingungsaufnehmer 4 und dem zweiten Schwingungsaufnehmer 4 zu vergrößern. Ferner ist durch eine Vergrößerung der Breite des Kanals des Messrohrs 2 die Schwingungskonstante der lateralen Schwingung des Messrohrs 2 erhöhbar.

Claims

Patentansprüche
1. Messwandler vom Vibrationstyp zum Messen eines Massendurchflusses eines strömenden Mediums, mit zwei geraden Messrohren (2) zum Führen des Mediums, wobei die Messrohre (2) parallel zueinander angeordnet sind und der Messwandler in mikromechanischer Bauweise ausgeführt ist.
2. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Messrohre (2) an ihren jeweiligen einen Enden und an ihren jeweiligen anderen Enden jeweils in einem Kupplungsstück (5) zusammengeführt und mit einer Rohrleitung verbunden sind.
3. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach Anspruch 2, wobei die Messrohre (2) an den beiden Kuppjungsstücken (5) schwingbar gelagert sind.
4. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Kupp- iungsstück (5) als Reservoir ausgeführt ist.
5. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Schwingungserreger (3) vorgesehen ist, und wobei der Schwingungserreger (3) im mittleren Bereich an dem Messrohr (2) angeordnet und derart ausgeführt ist, dass das Messrohr (2) in laterale Schwingungen versetzbar ist.
6. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach Anspruch 5, wobei der Schwin- gungserreger (3) als ein elektrostatischer Kammantrieb oder als piezoelektrischer
Antrieb ausgeführt ist.
7. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine an beiden Messrohren (2) befestigte und diese verbindende Verbindungsein- richtung (10) zur Festlegung der schwingungsfähigen Länge der Messrohre (2) vor- gesehen ist, und die Verbindungseinrichtung (10) in einem Endbereich der Messrohre (2) angeordnet ist.
8. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Dämpfungseinrichtung (6) zur Beeinflussung der Steifigkeit des Messrohrs (2) vorgesehen ist.
9. Messwandier vom Vibrationstyp (1 ) nach Anspruch 8, wobei die Dämpfungseinrichtung (6) derart im mittleren Bereich des Messrohrs (2) vorgesehen ist, so dass ein erster Teil der Dämpfungseinrichtung (7) an der einen Seite des Schwingungserregers (3) an dem Messrohr (2) angeordnet ist und ein zweiter Teil der Dämpfungseinrichtung (8) an der anderen Seite des Schwingungserregers (3) an dem Messrohr (2) angeordnet ist.
10. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach Anspruch 9, wobei der erste Teil der Dämpfungseinrichtung (7) und der zweite Teil der Dämpfungseinrichtung (8) jeweils zwei voneinander beabstandete parallele Platten (9) umfassen, wobei die Platten (9) an einem einen Ende derart mit dem Messrohr (2) verbunden sind, dass die Platten (9) parallel zu dem Messrohr (2) angeordnet sind, und wobei die Platten (9) an einem anderen Ende mit einem zu dem Messrohr (2) schwingfest angeordnetem Bereich verbunden sind.
11. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei wenigstens ein Schwingungsaufnehmer (4) vorgesehen ist, der als eine Kammstruk- tur mit einem kapazitiven Sensor ausgeführt ist.
12. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei eine Vertiefung unterhalb des Messrohrs (2) zu einer lateralen Führung des Messrohrs (2) vorgesehen ist.
13. Messwandler vom Vibrationstyp (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Messwand!er in PolyMUMPS-Technik hergestellt ist.
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