ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
SENSITIVE ELEMENT ON SURFACE ACOUSTIC WAVES FOR MEASURING PRESSURE OF LIQUIDS AND GASES

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в медицине, приборостроении и машиностроении для измерения давления жидких и газовых сред.
Известен сенсор давления на основе поверхностно-акустических волн (ПАВ) для измерения давления [1], содержащий пьезоплату, закрепленную в герметичном корпусе с возможностью деформации. На поверхности пьезоплаты размещены как минимум три резонатора на ПАВ. Электрические соединения расположены между резонаторами и выведены за пределы корпуса. Сенсор давления также включает антенну для получения и передачи электромагнитных сигналов к устройству и от него. Описанная конструкция сенсора давления на ПАВ является технологически сложной в изготовлении. Помимо этого недостатком данного технического решения является использование только одного вида механических напряжений для измерения давления, что ограничивает возможности сенсора по отклику и не обеспечивает достаточно высокой чувствительности.
Известен барочувствительный элемент [2], содержащий мембрану с выборкой, жестко скрепленную с основанием через прокладку. Между мембраной и основанием образована герметичная вакуумированная полость, внутри которой над выборкой своими концами жестко присоединен пьезоэлемент. Пьезоэлемент представляет собой ПАВ-резонатор, сформированный из ПАВ-структур на поверхности пьезоплаты, и установлен с возможностью его продольного сжатия-растяжения. Контакты пьезоэлемента выведены из вакуумированной полости наружу высокочастотными электродами, нанесенными на мембрану. Недостатком устройства является использование только одного направления векторов механического напряжения, что не обеспечивает достаточного уровня чувствительности барочувствительного элемента. Также отсутствует термокомпенсация, что вносит определенные искажения в результаты измерения давления.
Известен датчик давления на поверхностных акустических волнах, использующийся для измерения внутрисосудистого давления в живых организмах [3]. Датчик давления имеет несколько вариантов исполнения, отличающихся реализацией пьезоэлектрического элемента. Например, датчик давления, содержащий субстратное основание, барочувствительную пьезоэлектрическую пленку с выполненными на ее поверхности ПАВ-структурами. В субстратном основании выполнена полость, закрытая барочувствительной пленкой. Полость является вакуумированной. Выходной сигнал, значения которого зависят от деформации барочувствительной пленки, формируется ПАВ-структурами на пьезопленке.
Недостатком описываемого технического решения является технологическая сложность изготовления чувствительного элемента. Также наличие глухой полости обуславливает наличие в ней установочного давления, влияющего на процесс измерения и требующего дополнительной калибровки устройства. Кроме того для измерения давления используется только одно направления механических напряжений, что приводит к ограничению результирующего разрешения датчика давления.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является датчик давления на поверхностно-акустических волнах [4], содержащий автогенератор с частотозависимым элементом, выполненным в виде пьезоэлектрической платы, на одной грани которой выполнена выемка, а на противоположной грани расположены два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) ПАВ, формирующих линию задержки, подключенную к автогенератору. Выемка в пьезоэлектрической плате выполнена с поперечным сечением в форме прямоугольника, две стороны которого параллельны электродам ВШП и полностью перекрывают акустический путь по апертуре. Глубина выемки постоянна по апертуре акустического пути и монотонно изменяется в направлении, перпендикулярном электродам ВШП, уменьшаясь от центральной области выемки к ее периферии.
Недостатком устройства является низкая чувствительность измерений вследствие использования акустического пути, пролегающего только через одну область механического напряжения, что ограничивает возможность получения дополнительного количества значений откликов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание высокочувствительного устройства для измерения низких значений давления.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности устройства к небольшим изменениям давления.
Технический результат достигается тем, что чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения давления содержит пьезоплату, на поверхности которой сформированы образующие линию задержки (ЛЗ) ПАВ-структуры, включающие встречно-штыревой преобразователь, размещенный на акустическом пути, при этом на обратной стороне пьезоплаты выполнена выемка, перекрывающая акустический путь по апертуре. ЛЗ содержит, по крайней мере, две отражающие структуры (ОС), состоящие из массивов отражателей и расположенные по обе стороны от ВШП. Отражающие структуры позволяют реализовать по разные стороны от ВШП знакопеременные зоны механических напряжений. На обратной стороне пьезоплаты относительно поверхности с ПАВ-структурами выполнена, по меньшей мере, еще одна дополнительная выемка, смещенная относительно центральной оси акустического пути.
Область пьезоплаты над выемкой образует мембрану для создания локальных зон механических напряжений на акустическом пути ЛЗ.
Под воздействием внешнего давления в пьезоплате образуются локальные зоны механических напряжений: сжатие и растяжение. Распределение механического напряжения по площади пьезоплаты зависит от расположения выемок. Одна из выемок, перекрывающая акустический путь по апертуре, расположена по одну сторону от ВШП таким образом, что распространяющаяся над ней ПАВ проходит через область растяжения. Вторая выемка, расположенная по другую сторону от ВШП, смещена относительно центральной оси акустического пути, таким образом, что распространяющаяся над ней ПАВ проходит через область сжатия пьезоплаты.
Для корректной работы устройства необходимо соблюдение равенства значений механических напряжений растяжения и сжатия по модулю. С этой целью в области сжатия пьезоплаты выполнены две выемки, чтобы уравнять значения механических напряжений сжатия со значениями механических напряжений растяжения, поскольку механические напряжения по краям выемок менее выражены, чем напряжения в центре.
Предложенное изобретение позволяет повысить чувствительность устройства, за счет того, что при воздействии на пьезоплату внешнего давления по разные стороны от ВШП над выемками образуются знакопеременные механические напряжения пьезоплаты, что в свою очередь влияет на скорость распространения ПАВ, т.е. в областях сжатия скорость ПАВ увеличивается, а в областях растяжения - уменьшается. ПАВ, распространяясь от ВШП в двух направлениях вдоль пьезоплаты, имеют разное время задержки, поскольку растяжение пьезоплаты вызывает замедление распространения ПАВ, а сжатие - ускорение. В результате, из-за разных скоростей распространения ПАВ по сторонам линии задержки, поступивший на ВШП от отражающих структур сигнал разделен на две части, что приводит к увеличению возможных значений отклика в зависимости от давления. Когда используется только один вид механических напряжений, возможное отклонение сигнала физически ограничено свойствами пьезоматериала, влияющими на генерацию и распространение ПАВ. Используя ЛЗ, где по сторонам от ВШП преобладают знакопеременные механические напряжения, можно расширить диапазон значений отклика устройства, что позволяет добиться большего разрешения датчика. При использовании одного вида механических напряжений, значение давления интерпретируется по одной группе импульсов. Предлагаемое устройство позволяет разделить эту группу импульсов на две и производить измерение по амплитуде и временному сдвигу уже двух групп импульсов.
Таким образом, чувствительный элемент позволяет выявить даже незначительные изменения давления, так как знакопеременное изменение скоростей по сторонам от ВШП значительнее искажает отклик ЛЗ.
Дополнительно для увеличения точности датчика возможно формирование двух линий задержки - измерительной и отсчетной, размещенных на одной пьезоплате параллельно друг другу.
ПАВ-структуры второй ЛЗ идентичны ПАВ-структурам первой линии задержки.
Линия задержки, подверженная воздействию внешнего давления, является измерительной, и измеряет текущее значение давления в соответствие с градуировочной характеристикой, составленной на основании заметного изменения амплитудно-частотной и импульсной характеристик. Не подверженная воздействию внешнего давления вторая линия задержки является отсчетной и предоставляет исходную импульсную характеристику сигнала, используемого для термокомпенсации измерения.
Температурные явления одинаково влияют на обе линии задержки и температурный коэффициент задержки для них одинаков. При измерении давления сигнал измерительной линии задержки сопоставляется или смешивается с сигналом отсчетной линии задержки. Так как температурный коэффициент задержки оказывает одинаковое влияние на обе линии задержки, разница времен задержки между отсчетным и измерительным сигналами отражает изменение давления без влияния температуры.
Зондирующий сигнал на измерительной линии задержки значительнее подвержен искажению/затуханию, следовательно, отклонения относительно отсчетной линии задержки можно наблюдать сразу по ряду характеристик, таких как форма сигнала, амплитуда сигнала и затухание, время задержки.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами и рисунками:
Фиг. 1 - конструкция чувствительного элемента на ПАВ для измерения давления жидкостей и газов;
Фиг. 2 - конструкция чувствительного элемента на ПАВ для измерения давления жидкостей и газов, выполненная с двумя линиями задержки;
Фиг. 3 - иллюстрация образования векторов механических напряжений в области выемок при воздействии давления на пьезоплату;
Фиг. 4 - иллюстрация распределения механического напряжения по пьезоплате под воздействием внешнего давления;
Фиг. 5 - график изменения скорости распространения ПАВ при прохождении через различные области пьезоплаты.
Фиг. 6 - график зависимости механического напряжения пьезоплаты от внешнего давления (ниобат лития);
Фиг. 7 - график зависимости механического напряжения пьезоплаты от внешнего давления (пьезокварц).
Чувствительный элемент на ПАВ для измерения давления содержит пьезоплату 1 (фиг. 1), на поверхности которой сформированы образующие линию задержки (ЛЗ) ПАВ-структуры, включающие встречно-штыревой преобразователь (ВШП) 2, размещенный на акустическом пути. На обратной стороне пьезоплаты выполнена выемка 3, перекрывающая акустический путь по апертуре. ЛЗ содержит, по крайней мере, две отражающие структуры (ОС) 4, состоящие из массивов отражателей. На обратной стороне пьезоплаты 1 относительно поверхности с ПАВ-структурами выполнена, по меньшей мере, одна дополнительная выемка 5, смещенная относительно центральной оси акустического пути.
Для обеспечения необходимых свойств с целью размещения в различных средах чувствительный элемент заключается в корпус, состоящий из рамки 6 и крышки 7, предназначенный для герметизации устройства (фиг. 1).
ВШП 2 представляет собой систему металлических электродов и служит для возбуждения и приема ПАВ. Формирование ВШП 2 реализовано методом фотолитографии и вакуумного напыления. Формирование канавок отражающих структур 4 реализовано методами химического травления через маску.
В случае наличия двух идентичных ЛЗ (фиг. 2) встречно-штыревой преобразователь 2 первой ЛЗ и встречно-штыревой преобразователь 8 второй ЛЗ могут быть соединены параллельно или подключены отдельно, в зависимости от способа интерпретации результатов измерений и подключены к антенне 9 для беспроводной передачи данных и дистанционного измерения давления. В случае использования одной ЛЗ ВШП 2 также может быть подключен к антенне 9 для беспроводной передачи данных (на фиг. 1 не показано).
Сформированные на обратной относительно ПАВ-структур поверхности пьезоплаты выемки 3 и 5 (фиг. 1, фиг. 2) представляют собой углубления прямоугольной формы, геометрические размеры которых определяются апертурой ВШП и протяженностью линии задержки. Глубина выемки определяется диапазоном измеряемых значений и длиной ПАВ. Чем глубже выемка, тем тоньше мембрана над ней и, соответственно, тем большие механические напряжения возникают при приложении внешнего давления. Таким образом, диапазон измеряемых значений сужается и чувствительность датчика повышается.
Выемки в пьезоплате формируют методом химического, магнетронного или плазмохимического травления в зависимости от пьезоматериала.
Чувствительный элемент для измерения давления жидкостей и газов содержит, по меньшей мере, две контактные площадки 10 (фиг. 2, на фиг. 1 не показано), представляющие собой слои металлизации, размещенные по краям пьезоплаты и предназначенные для подключения антенны 9 или устройства опроса (на фигуре не показано).
Выбор материалов исполнения чувствительного элемента в значительной степени определяет его технические характеристики, необходимые в зависимости от сферы приложений.
Для обеспечения высокой чувствительности целесообразно использовать ниобат лития, поскольку он имеет высокую чувствительность к внешним воздействиям, что позволяет обеспечить значительное изменение сигнала в зависимости от приложенного давления.
Устройство работает следующим образом.
При поступлении запросного сигнала от внешнего источника на ВШП 2 линии задержки под действием обратного пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Образовавшаяся ПАВ распространяется в обе стороны от ВШП 2 по акустическому пути ЛЗ к отражающим структурам 4.
На пути к отражающим структурам 4 ПАВ проходят через области, где с обратной стороны пьезоплаты выполнены выемки 3 и 5. За счет этих выемок, при наличии внешнего давления, большего, чем давление в герметизированной части чувствительного элемента, расположенной между крышкой 7 и поверхностью пьезоплаты 1, акустический путь измерительной ЛЗ подвергается механическому напряжению, вследствие деформации пьезоплаты 1 в двух направлениях. Векторы механических напряжений над выемками 3 и 5 и вблизи выемок 3 и 5 при воздействии давления на пьезоплату 1 показаны на фиг. 3. В результате на поверхности пьезоплаты, по которой распространяется ПАВ, в области акустического пути, проходящего над выемкой 3, образуется зона растяжения, а в области акустического пути, проходящего между выемками 5, образуется зона сжатия (фиг. 4). Красные области, показанные на фиг. 4, обозначают зоны, в которых преобладает механическое напряжение растяжения, а синие области - механическое напряжение сжатия. Красными линиями обозначен возможный вариант расположения акустических путей распространения ПАВ.
Механическое напряжение пьезоплаты в области расположения акустических путей является одним из ключевых параметров. Это напряжение существенно влияет на параметры распространения ПАВ. По мере увеличения внешнего давления время задержки будет изменяться в зависимости от характера деформации - в области сжатия пьезоплаты время задержки будет уменьшаться, а в области растяжения - увеличиваться.
Дойдя до отражающих структур 4, ПАВ отражается и возвращается на ВШП 2, формируя ответный сигнал, который посредством пьезоэффекта преобразуется в электрический сигнал и передается на считывающее устройство для вычисления значения давления.
Ответный сигнал разделяется на две части относительно времени опроса, изменяется время задержки ЛЗ, а также амплитуда частей ответного сигнала ЛЗ (фиг. 5).
В случае наличия двух ЛЗ (фиг. 2) измерение давления осуществляют одной, подверженной деформации ЛЗ (измерительной), затем сопоставляют и уточняют полученные значения показаниями второй (отсчетной) ЛЗ, которая не подвержена воздействию механического напряжения.
Непосредственную взаимосвязь характера распространения ПАВ и деформирующих внешних механических воздействий можно доказать следующим образом.
Упругость тела обусловлена внутренними силами, возникающими в объеме твердого тела при его смещении из положения равновесия, т.е. из состояния при отсутствии сил. Силы можно описать через упругие напряжения Т, а перемещения - через деформации S.
В каждой точке однородного пьезоэлектрического диэлектрика компоненты тензора напряжений Tij зависят от компонентов тензора деформаций Sij. Для получения тензора напряжений Tij, необходимо преобразовать скалярное значение механического напряжения σ в тензорный вид, то есть разложить на составляющие по каждой оси.
Распространение ПАВ в твердом теле описывается уравнением движения [5]:
где:
i, j - индексы, i, j=1, 2, 3;
ρ - плотность пьезоплаты;
i
u - смещения точки на пьезоплате;
t - время;
ij
T - тензор механических напряжений;
j
x - направление оси.
i
ij
Согласно уравнению движения (1), смещения u напрямую зависят от Т - тензора механических напряжений. Тензор механических напряжений задается равенством:
где:
i, j, k, l - индексы, i, j, k, l=1, 2, 3;
- тензор упругих модулей, зависящий от свойств материала;
- тензор деформации, отражающий смещение точки вследствие воздействия внешней силы.
Имея распределение механического напряжения вдоль пьезоплаты, с помощью волновых уравнений распространения ПАВ можно рассчитать относительное изменение скорости ПАВ Δv/v в зависимости от механического напряжения.
Относительное изменение фазы ΔФ/Ф вдоль пьезоплаты может быть определено по относительному изменению скорости ПАВ Δν/ν и относительному изменению длины акустического пути  в соответствии с уравнением:
В зависимости от направления векторов механического напряжения, скорость ПАВ изменяется знакопеременно. То есть, в областях сжатия скорость ПАВ увеличивается, а в областях растяжения - уменьшается, что приводит к изменению фазы и увеличению возможных значений отклика.
На приведенных графиках (фиг. 6, фиг. 7) представлена зависимость механического напряжения пьезоплаты от внешнего давления при использовании различных материалов исполнения чувствительного элемента (пьезоплата - ниобат лития или пьезокварц).
Согласно графикам, механическое напряжение пьезоплаты линейно возрастает с увеличением внешнего давления.
В зависимости от требуемого разрешения датчика и диапазона измеряемых величин осуществляется выбор материалов.
Ввиду значительной зависимости параметров ПАВ от механического напряжения пьезоплаты, вызванного наличием внешнего давления, чувствительный элемент представляет собой высокоточное измерительное устройство, способное регистрировать малейшие изменения давления.
Источники информации
1. Патент US 6571638 В2, МПК G01L 11/00, опубл. 03.06.2003 г.
2. Патент RU 2402000 С1, МПК G01L 9/08, опубл. 20.10.2010 г.
3. Патент US 7331236 В2, МПК G01L 7/00, опубл. 19.02.2008 г.
4. Авторское свидетельство на изобретение SU 1131024 А1, МПК G01L 11/04, опубл. 23.12.1984 г.
5. Д. Морган «Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах» ELSEVIER, 1985.