ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ОТРАЖАЮЩИМИ СТРУКТУРАМИ
DETECTING ELEMENT OF PHYSICAL QUANTITY SENSOR WITH REFLECTING STRUCTURES

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин.
Известен чувствительный элемент датчика физических величин, представляющий собой линию задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (Wireless passive SAW identification marks and sensors. L.Reindl, 2-nd Int Symp.Acoustic wave devices for future mobile communication systems, Chiba univ., 2004), состоящий из двух преобразователей электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал (ПЭС), выполненных в виде встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на пьезоплате напротив друг друга. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. В качестве информационного сигнала используется время задержки.
Недостатком этого чувствительного элемента датчика физических величин (линии задержки на ПАВ) является низкая чувствительность и точность.
Известен также чувствительный элемент датчика физических величин, представляющий собой одновходовый резонатор (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М: Мир, 1990, 584 с), состоящий из ВШП структуры и расположенных по обе стороны от ВШП металлизированных штыревых отражающих структур. Период следования штырей в отражающих структурах равен , λ-длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. В качестве информационного сигнала используется собственная (резонансная частота резонатора). Недостатком этих резонаторов применительно к измерению физических величин является малая девиация частоты, и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является чувствительный элемент датчика физических величин, представляющий собой дисперсионную линию задержки (Wireless passive SAW identification marks and sensors. L.Reindl, 2-nd Int Symp.Acoustic wave devices for future mobile communication systems, Chiba univ., 2004), состоящую из ВШП и расположенных на пьезоплате с одной стороны от ВШП отражающих структур в виде системы канавок с переменным периодом, образующих дисперсионную структуру. В качестве информационного сигнала используется время задержки. По сравнению с резонаторами и линиями задержки чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами имеет большую чувствительность. Недостатком этих резонаторов применительно к измерению физических величин также является малая девиация информационного сигнала и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании для измерения физических величин прототипа - указанного чувствительного элемента датчика физических величин (дисперсионной линии задержки) является следующий его недостаток: абсолютное значение девиации времени задержки ограничено геометрическими размерами пьезоплаты и потерями на распространение ПАВ в материале.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности датчика физических величин.
Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе датчика физических величин с отражающими структурами, состоящем из звукопровода, на поверхности которого сформированы не менее одного преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал и не менее двух отражающих структур, отражающие структуры расположены с двух сторон от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал и отражающие структуры, расположенные с разных сторон от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, имеют различные импульсные переходные характеристики, при этом отражающие структуры, расположенные по одну сторону от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, могут иметь максимумы коэффициента отражения на таком же расстоянии (с точностью до 10%) от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, на котором отражающие структуры, расположенные по другую сторону от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, имеют минимумы коэффициента отражения.
Расположение отражающих структур с двух сторон от ПЭС позволяет повысить чувствительность чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами за счет большего влияния фазовых искажений на форму сигнала отклика предлагаемого чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства - чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
В настоящее время автору не известны чувствительные элементы датчика физических величин с отражающими структурами, которые позволяли бы проводить измерение физических величин с такой точностью, которую обеспечивает предлагаемая конструкция чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами.
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена структура чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами.
Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами (см. чертеж) состоит из звукопровода 1, на котором сформированы преобразователь электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал 3 и отражающие структуры 2. Отражающие структуры 2 могут быть выполнены в виде периодической системы канавок с переменным периодом.
Звукопровод 1 может быть выполнен из пьезоэлектрического материала (например, кварца).
Преобразователь электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал может быть выполнен в виде ВШП.
Отражающие структуры 2, расположенные с двух сторон от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал 3, имеют различные импульсные переходные характеристики. При этом отражающие структуры, расположенные по одну сторону от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, могут иметь максимумы коэффициента отражения на таком же расстоянии (с точностью до 10%) от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, на котором отражающие структуры, расположенные по другую сторону от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, имеют минимумы коэффициента отражения.
Формирование ВШП может быть реализовано по технологии фотолитографии и травления [1, 2]. Формирование канавок отражающих структур 2 реализовано по технологии травления через маску [2].
Устройство работает следующим образом. При воздействии физической величины на звукопровод 1 изменяется геометрический размер топологии (в частном случае, штырей, электродов) ПЭС 3, расстояния между элементами топологии, ширина и период следования канавок отражающих структур 2. В соответствии с изменением геометрических размеров изменяется время задержки отраженного сигнала и частотные и фазовые свойства отражающих структур 2 [1, 2]. В качестве зондирующего сигнала при использовании отражающих структур используются частотно-модулированные сигналы, структура которых соответствует топологии отражающих структур 2 [2]. При изменении топологии отражающих структур 2 будет изменяться и структура соответствующих частотно-модулированных сигналов. Наиболее часто используются линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) сигналы [2].
При поступлении зондирующего электрического сигнала от внешнего источника (не показан) на ПЭС 3 формируется ПАВ. Поверхностная волна, сформированная ПЭС 3, распространяется от ПЭС 3 в двух направлениях. Дойдя до отражающих структур 2, ПАВ отражается и возвращается на ПЭС 3. Взаимодействие зондирующего ЛЧМ электрического сигнала с отражающими структурами подробно объясняется в [2]. В случае воздействия физической величины на чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами в области расположения ПЭС 3 и отражающие дисперсионные структуры 2 будет изменяться форма частотно-модулированного зондирующего сигнала, обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами. Форма частотно-модулированного зондирующего сигнала, обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами, будет соответствовать измененной под воздействием физической величины импульсной переходной характеристике чувствительного элемента.
Предложенная структура чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами позволяет существенно повысить чувствительность и точность датчиков физических величин.
Топология с двусторонним (относительно ПЭС) расположением отражающих структур соответствует математической модели с периодическим изменением фазы отраженного сигнала. Рассмотрим изменение дополнительной фазы (возмущающего сигнала) во времени, соответствующее синусоидальному закону:
где
1
Fim- максимальная величина набега фазы;
d=2;
1
1
ω=2πf;
2
2
ω=2πf;
02
f=466 МГц;
01
f=400 МГц.
1
Рассмотрим зависимость амплитуды сжатого сигнала от показателя степени дополнительного набега фазы (возмущающего сигнала), вызванного гармонической деформацией при Fim=24π (двенадцать периодов). При значениях показателя степени d, находящихся в интервале d=(0.5-1.5), амплитуда сжатого сигнала уменьшается более чем в 8 раз. При этом форма нелинейной частотной модуляции для каждого чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами будет однозначной функцией воздействующей физической величины.
Форма или величина центральной частоты частотно-модулированного зондирующего сигнала (например, ЛЧМ), обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами, измеряется, например, по амплитудно-частотной характеристике (например, с использованием сетевого анализатора Agilent Е5070 В) [2]. Используя полученные (в результате предварительных исследований) градуировочные зависимости от изменения физической величины, изменения формы, центральной частоты зондирующего сигнала и времени задержки отраженного сигнала, можно соотнести величину измеряемой физической величины.
Таким образом, предложенный чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами является высокоточным устройством для измерения физических величин.
Источники информации
1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990, 584 с.
2. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990, 416 с.