ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления в диапазоне от 0 до 50 атм. Более конкретно, полезная модель относится к чувствительным элементам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) резонансного типа, выполненным из пьезоэлектрических монокристаллов семейства лангасита. В частности, данный чувствительный элемент предназначен для автономных датчиков давления, которые могут быть использованы для контроля технологических процессов в научных экспериментах, промышленном производстве и других областях науки и техники, таких как разработка и производство авиационных двигателей, для контроля давления в различных зонах турбинных двигателей.
Акустоэлектронные компоненты на объемных и поверхностных акустических волнах уже на протяжении нескольких десятков лет широко применяются во всех современных системах радиолокации, связи, телевидения, навигации, мониторинга окружающей среды и контрольно-измерительной аппаратуре. Их достоинствами является способность работать в присутствии механических нагрузок, магнитных полей, ионизирующих излучений, а также при воздействии различных дестабилизирующих факторов окружающей среды (см., например, Багдасарян С. И др. «ПАВ-датчики дистанционного контроля физических величин, Электроника. Наука, Технология, Бизнес», 2008, №1, стр. 46-51).
В последние годы все более актуальными становятся задачи исследования физических процессов в условиях экстремальных температур, в связи с чем одним из основных направлений развития акустоэлектроники является разработка датчиков физических величин, в т.ч. выполненных по ПАВ-технологии (см., например, Гуляев Ю.В. «Акустоэлектроника (исторический обзор)», УФН, т. 175, №8, стр. 887-895, 2005, а также патент US, 9076956 и опубликованные патентные заявки US, Patent Appln. 2012/0242190 и US, Patent Appln. 2012/0306315; US, Patent Appln. 2018/0323366; выложенная патентная заявка Japanese Pat. Laid-Open No. 2004-534222).
Радиочастотные датчики на ПАВ являются пассивными устройствами, не требующими источников питания, что позволяет их использовать в труднодоступных местах и на движущихся объектах, где необходимо контролировать изменение параметров внешней среды (см. опубликованные патентные заявки US, Patent Appln. 2007/0064765 и US, Patent Appln. 2014/0327340).
В уровне техники имеется потребность в разработке конструкции чувствительных элементов (сенсоров) на ПАВ, которые должны не только обеспечить с высокой точностью преобразование изменения внешнего давления в радиочастотный сигнал пропорционально величине этого изменения (0-50 атм.), но и быть работоспособными в условиях экстремальных температур в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 500°С,включительно.
В настоящее время известны различные типы датчиков на ПАВ (в основном это датчики температуры), работающие в диапазоне температур, как правило, ограниченном не выше 300-350°С, что обусловлено физическими свойствами используемых материалов для чувствительного элемента, (см., например, патенты US, 4772130; US, 7434989, а также Кондратьев С.Н. и др. «Датчики давления на основе резонаторов поверхностных акустических волн», Электронная техника, сер. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания, 1984, вып. 3 (108), стр. 56-57; Крышталь Р.Г. и др. «Устройства на поверхностных акустических волнах для чувствительных элементов датчиков температуры, Радиотехника и электроника», 2017, т. 62. №3, стр. 292-299).
3
3
2
14
В мировой практике при изготовлении датчиков на ПАВ обычно применяют пьезоэлектрические подложки кварца (см. патент US, 7677087 и патент US, 7000298), ниобата лития (US, 8508102) или танталата лития. Однако чувствительные элементы из кварца имеют ограничения по рабочей температуре вследствие наличия фазового перехода кварца из α-фазы в β-фазу (см., например, Haines J., Cambon О., Keen D., Tucker M., Dove M. "Structural disorder and loss of piezoelectric properties in α-quartz at high temperature", Applied Physics Letters, 2002, v., 81, p. 2968). Такой процесс фазового перехода начинается при температурах 300-350°С и заканчивается при температуре 535°С. Кристаллы ниобата лития и танталата лития в отличие от кристаллов кварца имеют более высокую температуру фазового перехода (температура Кюри 1143°С и 603°С, соответственно), однако они являются сильными пироэлектриками, в которых при изменении температуры окружающей среды возникают паразитные электрические заряды в межэлектродных областях встречно-штыревого преобразователя (ВШП), приводящие к электрическому пробою электродной структуры (см., например, Сотников А.В., Kunze R., Schmidt Н., Weihnacht М., Hengst М.,  J. «Пьезоэлектрические и упругие свойства монокристаллов SrNbGaSiO (SNGS)», ФТТ, 2009, т. 51, №2, стр. 261-264). Пироэлектрический эффект резко ограничивает использование кристаллов ниобата лития и танталата лития для чувствительных элементов на ПАВ в условиях высоких температурных градиентов.
Кроме этого, предъявляются жесткие требования к материалам корпуса. С одной стороны, корпус должен обеспечить не только функционирование акустоэлектронного устройства при экстремально высоких температурах, но и защиту от дестабилизирующих факторов. С другой стороны, материал, из которых изготовлен корпус, должен быть согласован по коэффициенту температурного расширения (КТР) с материалом чувствительного элемента.
Использование известных материалов для изготовления корпусов чувствительных элементов, таких как металлостеклянные, металлокерамические, монолитные керамические и композиционные материалы, имеет ограничения по верхнему пределу рабочей температуры.
Таким образом, существует проблема поиска материалов как для высокотемпературных чувствительных элементов на ПАВ, так и для корпусов, пригодных обеспечить работу чувствительных элементов для датчиков давления при температурах в диапазоне до 500°С, включительно.
В рамках данной заявки решается задача разработки такой конструкции высокотемпературного чувствительного элемента на ПАВ для датчиков давления, которая позволила бы расширить интервал рабочих температур датчиков до температуры 500°С, включительно. Решается также задача сохранения точности и надежности измерения давления в диапазоне до 50 атм. за счет минимизации погрешностей измерений, обусловленных механическими напряжениями, возникающими в структуре чувствительного элемента при экстремальных температурах.
Поставленная задача решается тем, что высокотемпературный чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для датчиков давления состоит из двух пьезоэлектрических пластин, каждая из которых имеет рабочую сторону и нерабочую сторону, причем толщина первой пьезоэлектрической пластины в 3-6 раз меньше толщины второй пьезоэлектрической пластины, а рабочая сторона второй пьезоэлектрической пластины имеет углубление в форме мезаструктуры, при этом указанные пластины соединены друг с другом рабочими сторонами неразъемным соединением с образованием герметичной полости и выполнены из идентичного монокристаллического материала семейства лангасита, а также имеют идентичную кристаллографическую ориентацию, кроме того, пластины имеют идентичные форму и размеры в плоскости неразъемного соединения, при этом на рабочей стороне первой пластины, обращенной в сторону герметичной полости, выполнены, по крайней мере, два резонатора и контактные площадки, одна из которых обеспечивает гальваническую связь, а другая емкостную связь для вывода радиочастотного сигнала.
3
5
14
3
3
2
14
Кроме того, материалом каждой из пластин является лангасит LaGaSiO либо катангасит CaTaGaSiO. Неразъемное соединение первой и второй пьезоэлектрических пластин выполнено методом диффузионной сварки с использованием серебра, а суммарная толщина первой и второй пьезоэлектрических пластин составляет величину из диапазона от 550 до 900 мкм, включительно.
Предпочтительно, что резонаторы выполнены идентичными по амплитудно-частотным характеристикам и имеют совпадающее направление распространения акустических волн. Такое идентичное выполнение резонаторов обеспечивает как их одинаковую температурно-частотную зависимость, так и высокую чувствительность к изменению внешнего давления за счет их местоположения на первой пьезоэлектрической пластине, выполняющей функцию мембраны.
3
5
14
3
3
2
14
Пьезоэлектрический кристалл лангасита - ЛГС (LaGaSiO); и пьезоэлектрический кристалл катангасит - КТГС (CaTaGaSiO), характеризуются отсутствием фазовых переходов вплоть до температуры плавления и пироэффекта. Кристаллы ЛГС и КТГС обладают уникальными физическими свойствами для работы в условиях экстремальных температур, в частности, высоким удельным сопротивлением и химической стойкостью, что позволяет сохранить работоспособность чувствительных элементов до предельно высоких температур. Кристаллы лангасита (ЛГС) и катангасита (КТГС) сохраняют свои пьезоэлектрические характеристики до температуры 1000-1300°С, что обеспечивает сохранение работоспособности чувствительных элементов на ПАВ, выполненных из этих материалов, для заданного интервала температур, включая 500°С.
Сущность данной полезной модели состоит в том, что она представляет собой бескорпусную герметичную структуру чувствительного элемента на ПАВ, которая состоит из двух монокристаллических пьезоэлектрических пластин, где одна из пластин является существенно более тонкой по сравнению с другой пластиной и выполняет функцию мембраны, тогда как другая пластина выполнена с углублением в форме мезаструктуры. Указанные пластины соединены между собой неразъемным диффузионным сварочным швом с образованием герметичной полости, где на рабочей стороне первой пьезоэлектрической пластины (мембраны) сформированы резонаторы, и которая определяет чувствительность сенсора к внешнему воздействию. Оптимальное расположение резонаторов на его поверхности обеспечивает максимальную чувствительность. Неразъемное соединение пьезоэлектрических пластин выполнено путем диффузионной сварки с использованием серебра.
Чувствительный элемент датчика предназначен для преобразования внешнего давления в изменение резонансной частоты ПАВ резонатора пропорционально изменению величины внешнего давления. Для снижения погрешности измерения величины давления, обусловленной температурными воздействиями на чувствительный элемент, его конструкция выполнена так, чтобы минимизировать влияние таких воздействий на величину измеряемого внешнего давления. Данный технический результат достигается за счет использования идентичного материала для изготовления двух пьезоэлектрических пластин чувствительного элемента, что значительно снижает возникновение в них механических напряжений. Кроме того, результат достигается за счет использования двух идентичных резонаторов, расположенных на первой пьезоэлектрической пластине и имеющих совпадающее направление распространения акустических волн, что обеспечивает одинаковую температурно-частотную зависимость резонаторов, а также существенную чувствительность к изменению внешнего давления за счет их местоположения на первой пластине, выполняющей функцию мембраны.
Изготовление чувствительных элементов на ПАВ для датчиков давления, согласно полезной модели, характеризуется особой технологией производства, в частности, это относится к выбору материала для формирования электродных структур резонаторов, поскольку при длительном воздействии температур порядка 500°С происходит разрушение алюминиевых электродов. Разработанная бескорпусная структура чувствительного элемента для датчиков давления на ПАВ обеспечивает герметичность чувствительного элемента и возможность использования его как в проводном, так и в беспроводном исполнении.
Сущность высокотемпературного бескорпусного чувствительного элемента на ПАВ для датчиков давления, согласно данной полезной модели, поясняется графическим материалом, где:
фиг. 1 изображает вертикальное сечение высокотемпературного чувствительного элемента на ПАВ для датчиков давления.
фиг. 2 иллюстрирует вид на рабочую сторону первой пьезоэлектрической пластины чувствительного элемента с резонаторами, контактными площадками и металлизированной поверхностью для диффузионной сварки первой и второй пьезоэлектрических пластин.
Для пояснения сущности полезной модели на чертежах введены следующие обозначения: 1 - первая пьезоэлектрическая пластина; 2 - вторая пьезоэлектрическая пластина; 3 - неразъемное соединение; 4, 5 - резонаторы; 6, 7 - контактные площадки для обеспечения емкостной связи; 8 - углубление в форме мезаструктуры, 9 - контактная площадка для обеспечения гальванической связи.
3
3
2
14
3
5
14
Высокотемпературный чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для датчиков давления, согласно полезной модели, состоит из первой пьезоэлектрической пластины 1 и второй пьезоэлектрической пластины 2 (см. фиг. 1). Толщина первой пьезоэлектрической пластины 1 в 3-6 раза меньше толщины второй пьезоэлектрической пластины 2. Пьезоэлектрические пластины 1 и 2, изготовленные из идентичного материала катангасита CaTaGaSiO либо лангасита LaGaSiO, имеют идентичную кристаллографическую ориентацию и соединены между собой неразъемным соединением 3, которое выполнено методом диффузионной сварки, что обеспечивает целостность и герметичность высокотемпературного чувствительного элемента на ПАВ в процессе его эксплуатации в диапазоне температур до 500°С, включительно.
Первая пьезоэлектрическая пластина 1 и вторая пьезоэлектрическая пластина 2 имеют идентичные геометрические формы и размеры в плоскости неразъемного соединения 3.
Рабочая сторона второй пьезоэлектрической пластины 2 имеет углубление (см. фиг. 1) в форме мезаструктуры 8, при этом указанные пластины соединены друг с другом рабочими сторонами неразъемным соединением 3 с образованием герметичной полости. На рабочей стороне первой пластины 1, обращенной в сторону полости, выполнены, по крайней мере, два резонатора 4 и 5, а также контактная площадка 7, а на нерабочей стороне первой пластины 1 выполнена контактная площадка 6. Контактные площадки 6 и 7 обеспечивают емкостную связь, а контактная площадка 9, соединенная со сварным швом 3, обеспечивает гальваническую связь.
Принцип работы чувствительного элемента на ПАВ для датчиков давления заключается в следующем. При подаче радиочастотного электрического сигнала на контактные площадки 6 и 9, соответствующего резонансным частотам ПАВ резонаторов 4 и 5, в резонаторах возбуждаются поверхностные акустические волны вследствие возникновения обратного пьезоэффекта в пьезоэлектрических пластинах. Диапазон частот ПАВ резонаторов находится в пределах от 200 до 900 МГц, а разность резонансных частот резонаторов 4 и 5 составляет величину из диапазона от 1 до 5 МГц. При отсутствии какого-либо внешнего воздействия в виде изменения температуры или давления резонансные частоты обоих резонаторов не изменяются. При возникновении внешнего воздействия, например температуры, происходит изменение резонансных частот обоих резонаторов в соответствии с их температурно-частотными характеристиками (ТЧХ), а в силу того, что оба резонатора расположены на одной пластине и имеют одинаковое направление распространения поверхностных акустических волн, то и величина изменения резонансных частот остается постоянной для обоих резонаторов. Таким образом, определить текущее значение температуры можно по изменению частот резонаторов из заранее известной ТЧХ, где каждому изменению частоты соответствует определенное значение изменения температуры. Температурно-частотная характеристика для резонаторов определяется методом калибровочных измерений на предварительном этапе тестирования чувствительного элемента на ПАВ.
При возникновении внешнего воздействия, в виде давления, происходит изменение резонансных частот обоих резонаторов в соответствии с их расположением на пьезоэлектрической пластине 1. Резонатор 4 расположен в области с максимальной величиной деформации, возникающей в первой пьезоэлектрической пластине 1 при приложении к ней внешнего давления. Резонатор 5 расположен на первой пьезоэлектрической пластине 1 в области с минимальной величиной деформации при этом же воздействии. Деформация, возникающая в первой пьезоэлектрической пластине при воздействии внешнего давления, приводит к изменению резонансных частот резонаторов за счет изменения их параметров: деформация растяжения увеличивает период ВШП структуры и соответственно сдвигает значение резонансной частоты в область низких частот, а деформация сжатия, наоборот, уменьшает период ВШП и повышает значение резонансной частоты. Таким образом, при возникновении внешнего давления пластина 1 изгибается в сторону углубления в форме мезаструктуры 8, а частота резонатора 4 сдвигается в область низких частот в силу возникновения деформации растяжения в области расположения резонатора 4. Резонатор 5 расположен в области пластины 1 с минимальной деформацией, в силу чего его резонансная частота практически не изменяется при возникновении внешнего давления. Исходя из выше изложенного, изменение разности частот двух резонаторов относительно исходной разности до приложения внешнего давления, пропорционально величине изменения давления. Пропорциональность разности частот двух резонаторов внешнему давлению устанавливается во время предварительных калибровочных испытаний чувствительных элементов ПАВ сенсоров.
При возникновении внешнего воздействия в виде температуры и/или давления, изменение температуры определяется по величине изменения частоты резонатора 5 относительно исходного состояния (например, комнатная температура), а изменение давления - по разности частот резонаторов 4 и 5. Для резонатора 5 проводятся предварительные калибровочные испытания при воздействиях температуры и давления.
В силу того, что первая пьезоэлектрическая пластина 1 имеет значительно меньшую толщину по отношению к толщине второй пьезоэлектрической пластины 2, то величина деформации в первой пьезоэлектрической пластине 1 значительно выше, чем в пластине 2. Данная конструкция чувствительного элемента обеспечивает высокую чувствительность к воздействию внешнего давления.
Пример 1.
3
3
2
14
Пьезоэлектрическая пластина 1 выполнена из материала семейства лангасита и имеет рабочую сторону и нерабочую сторону, где материалом пластины является катангасит CaTaGaSiO, при этом рабочая сторона пластины 2 имеет форму обратной мезаструктуры 8 (см. фиг. 1) с размером 10×15 мм. Рабочая сторона каждой пластины имеет шероховатость Ra не более 0,01 мкм, при этом нерабочие стороны пластин имеют шероховатость Ra не более 0,5 мкм.
Углубление в форме мезаструктуры 8, выполненное во второй пьезоэлектрической пластине, обеспечивает свободу колебаний поверхностных акустических волн резонаторов 4 и 5, расположенных на первой пьезоэлектрической пластине 1. На рабочей стороне сформирован слой металлизации серебра (Ag) для выполнения методом диффузионной сварки неразъемного соединения 3 между первой и второй пьезоэлектрическими пластинами 1 и 2.
Пьезоэлектрическая пластина 2, изготовленная из того же пьезоэлектрического материала, что и пластина 1, имеет такие же форму и размеры по длине и ширине в плоскости неразъемного соединения 3. При этом толщина пластины 1 меньше толщины пластины 2 в 4 раза, что обеспечивает высокую чувствительность сенсора к внешнему гидростатическому давлению. На рабочей стороне пластины 1 сформированы резонаторы 4 и 5, а также контактная площадка 7. Контактная площадка 6 размещена на нерабочей стороне пластины 1. Контактные площадки 6 и 7 обеспечивают емкостную электрическую связь ПАВ резонаторов. Для диффузионной сварки используется серебряная пленка, нанесенная на пластины методом магнетронного вакуумного напыления. Пленка толщиной 2-3 мкм наносится на каждую из свариваемых пьезоэлектрических пластин 1 и 2 и используется для формирования неразъемного соединения 3 и гальванической связи с контактной площадкой 9.
Первая пьезоэлектрическая пластина 1 и вторая пьезоэлектрическая пластина 2 соединены между собой методом диффузионной сварки, которая обеспечивает целостность и герметичность высокотемпературного чувствительного элемента на ПАВ в период его эксплуатации при температурах в диапазоне до 500°С, включительно.
После формирования неразъемного соединения 3 пластин 1 и 2 методом диффузионной сварки, чувствительный элемент на ПАВ подвергается механической односторонней шлифовке с нерабочей стороны первой пьезоэлектрической пластины 1 до толщины 100-150 мкм.
Суммарная толщина чувствительного элемента на ПАВ после диффузионной сварки составляет 1000 мкм, а исходная толщина каждой из пьезоэлектрических пластин составляет величину 500 мкм, при этом после шлифовки пластины 1 суммарная толщина чувствительного элемента имеет величину 600-650 мкм.
Выполнение односторонней шлифовки только одной из двух пьезоэлектрических пластин, связанных между собой механически неразъемным сварочным швом, позволяет сформировать из пластины 1 мембрану с расположенными на ее рабочей стороне резонаторами. Такой прием односторонней шлифовки исключает необходимость выполнения операции по соединению чувствительного элемента с внешней мембраной, что особенно важно, когда датчик (сенсор) должен работать при высоких температурах.
После шлифовки на нерабочей стороне пластины 1 формируются методом магнетронного вакуумного напыления металлизированные контактные площадки.
Данная структура высокотемпературного чувствительного элемента на ПАВ для автономных датчиков давления позволяет применять их как в проводном, так и в беспроводном исполнении с передачей информации об изменении давления по радиоканалу, что повышает их автономность.
Конструкция чувствительного элемента на ПАВ для датчиков давления, выполненного согласно данной полезной модели, обладает высокой чувствительностью к давлению и обеспечивает надежное функционирование чувствительных элементов на ПАВ в экстремальных условиях эксплуатации при температурах до 500°С, включительно.