ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
SENSITIVE ELEMENT OF SURFACE ACOUSTIC WAVES FOR TEMPERATURE MEASUREMENT

Изобретение относится к области измерительной техники на поверхностных акустических волнах, к которым относятся волны Рэлея, Лява, Сезавы, Блюштейна-Гуляева-Шимизу (ВБГШ), вытекающие волны и другие акустические волны, распространяющиеся вдоль поверхности, и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения температуры.
Известен чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения температуры, представляющий собой линию задержки на поверхностных акустических волнах [1], состоящий из двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на пластине из ниобата лития напротив друг друга. В качестве информационного сигнала используется время задержки.
Недостатком этих чувствительных элементов на поверхностных акустических волнах для измерения температуры - линий задержки на ПАВ является низкая чувствительность и точность, вызванная сложностью дистанционного измерения фазы.
Известен также чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения температуры, представляющий собой дисперсионную линию задержки [2], состоящий из ВШП и расположенных на пластине из ниобата лития с одной стороны от ВШП отражающих структур в виде системы канавок с переменным периодом, образующих дисперсионную структуру. В качестве информационного сигнала используется время задержки.
Недостатком этих чувствительных элементов на поверхностных акустических волнах для измерения температуры, применительно к измерению температуры, является малое изменение времени задержки, и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения температуры, представляющий собой одновходовый резонатор на пластине из кварца [3], состоящий из ВШП структуры и расположенных по обе стороны от ВШП отражающих элементов (ОЭ). В качестве информационного сигнала используется резонансная частота резонатора. По сравнению с линиями задержки чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения температуры с резонаторами имеет большую чувствительность при минимальных размерах пластины.
Недостатком существующих чувствительных элементов на поверхностных акустических волнах для измерения температуры, представляющих собой резонатор на пластине из кварца, является малая девиация частоты и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата (повышению точности измерения температуры) при измерении температуры известного чувствительного элемента на поверхностных акустических волнах для измерения температуры - резонатора-прототипа, является следующий его недостаток: абсолютное значение девиации частоты ограничено температурным коэффициентом скорости акустических волн, распространяющихся в пластине кварца.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения температуры.
Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе на поверхностных акустических волнах для измерения температуры, состоящем из пластины из альфа-кварца, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и не менее двух отражающих элементов (ОЭ), при этом рабочая поверхность пластины жестко связана с правой декартовой системой координат (X1, Y1, Z1), где ось Z1 направлена перпендикулярно поверхности пластины, при этом правая декартова система координат (X1, Y1, Z1) имеет угловую ориентацию относительно кристаллографической системы координат кварца (X, Y, Z), заданную углами Эйлера φ, θ, Ψ, такими, что угол φ принимает значение, находящееся в одном из диапазонов от -20°+60°·n до 20°+60°·n, где n принимает значения 0, 1, 2, 3, 4, 5, угол θ принимает значение, находящееся в диапазоне от 140° до 180° или в диапазоне от минус 40° до 0, угол Ψ принимает значение ±90°, электроды ВШП и ОЭ отклонены от оси Y1 на угол, не превосходящий по модулю 20°.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показана структура чувствительного элемента на поверхностных акустических волнах для измерения температуры на срезе кварца;
на фиг.2 показано взаимное расположение систем координат X, Y, Z и X1, Y1, Z1;
на фиг.3 показано направление электродов и осей структур одного из избранных вариантов топологии с двумя структурами;
на фиг.4 показан вариант структуры с двухвходовым резонатором.
Чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения температуры (фиг.1) состоит из пластины из альфа-кварца 1, на рабочей поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя 2 и не менее двух отражающих элементов 3, при этом рабочая поверхность пластины жестко связана с правой декартовой системой координат (X1, Y1, Z1), в которой ось Z1 направлена перпендикулярно рабочей поверхности пластины.
Правая декартова система координат (X1, Y1, Z1), жестко связанная с рабочей поверхностью пластины, имеет угловую ориентацию относительно кристаллографической системы координат кварца (X, Y, Z), заданную углами Эйлера, φ, θ, Ψ, показанными на фиг.2, при этом угол φ принимает значение, находящееся в одном из диапазонов от -20°+60°·n до 20°+60°·n, где n принимает значения 0, 1,2, 3, 4, 5, угол θ принимает значение, находящееся в диапазоне от 140° до 180° или в диапазоне от минус 40° до 0, угол Ψ принимает значение ±90°, электроды ВШП и ОЭ отклонены от оси Y1 на угол, не превосходящий по модулю 20°.
Направление электродов ВШП 2 и ОЭ 3 отклонено от оси Y1 на угол 5. При этом ось структуры 6, отражающая направление распространения энергии волны, может быть отклонена от оси X1.
Фиг.3 иллюстрирует выбор направлений электродов и осей структур при изготовлении двух структур на ПАВ на одной пластине. Структура 7 имеет ось 8 и направление электродов 9, а структура 10 имеет ось 11 и направление электродов 12.
На фиг.4 показан пример топологии двухвходового резонатора, на пластине из кварца 13, структура которого состоит из двух ВШП 14, и двух ОЭ 15. Направление электродов ВШП 14 и ОЭ 15 отклонено от оси Y1 на угол 16. При этом ось структуры 17, отражающая направление распространения энергии волны, может быть отклонена от оси X1.
ОЭ 3 и ОЭ 15 выполнены в виде периодической системы полосок или канавок (причем период может меняться внутри границ ОЭ).
На поверхности пластины из альфа-кварца 1 могут быть сформированы не менее двух структур, содержащих не менее одного встречно-штыревого преобразователя 14 и не менее двух отражающих элементов 15 в каждой структуре, с направлениями электродов, отклоненными друг от друга на угол, не превосходящий по модулю 20°, и с направлениями осей каждой из структур, отклоненными друг от друга на угол, не превосходящий по модулю 12°, что показано на фиг.4.
Электроды одной из структур могут быть отклонены от оси Y1 на угол, не превосходящий по модулю 2°, а электроды другой структуры отклонены от оси Y1 на угол, превосходящий по модулю 8°, и не превосходящий по модулю 12°.
Угол φ может принимать значения 60°·n, где n принимает значения 0, 1, 2, 3, 4, 5; угол θ может принимать значения 160° или минус 20°; электроды одной из структур могут быть параллельны оси Y1, а электроды другой структуры отклонены от оси Y1 на ±10°, а оси обеих структур параллельны оси X1.
К ВШП 2 и ВШП 14 может быть подключена антенная система.
ВШП 2 и ВШП 14 могут быть подключены к генератору колебаний.
Пластина может быть выполнена из пьезоэлектрического материала - монокристаллического альфа-кварца с определенной в изобретении ориентацией.
Формирование ВШП 2 и ВШП 14 реализовано по технологии фотолитографии и травления или обратной литографии («взрыва»). Формирование полосок или канавок ОЭ 3 и ОЭ 15 реализовано по технологии травления через маску, или по технологии фотолитографии и травления или обратной литографии («взрыва»).
Устройство работает следующим образом.
При изменении температуры пластины изменяется скорость распространения поверхностной акустической волны и расстояния между электродами ВШП 2, или ВШП 14, ширина и период следования электродов, полосок или канавок ОЭ 3, или ОЭ 15. В соответствии с изменением скорости и геометрических размеров изменяется резонансная частота чувствительного элемента на поверхностных акустических волнах для измерения температуры. Линейная часть этого изменения описывается температурным коэффициентом частоты (ТКЧ).
При поступлении зондирующего электрического сигнала от внешнего источника (на фиг.1 и фиг.4 не показан) на ВШП 2, или ВШП 14, под действием пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Сформированная ВШП 2, или ВШП 14, ПАВ распространяется от ВШП 2, или ВШП 14, к ОЭ 3 или ОЭ 15. В результате множественных переотражений на ВШП 2 или ВШП 14 формируется ответный сигнал.
Выбранный срез кварца имеет высокий и противоположный по знаку температурный коэффициент частоты для двух типов волн - волн Рэлея и волн ВБГШ (в отечественной литературе: волн Гуляева-Блюштейна).
Таким образом, при изменении температуры центральная частота ответного сигнала будет изменяться.
В качестве информационного сигнала используется центральная частота ответного сигнала.
На основе градуировочной зависимости (центральная частота - температура) изменению центральной частоты можно соотнести величину температуры.
Для дальнейшего повышения точности измерений и снижения влияния других свойств окружающей среды, например, давления и помех в каналах опроса датчика применяется дифференциальная схема измерений с двумя структурами, имеющими различный температурный коэффициент частоты. Например, на фиг.3 структура 7 имеет направление оси 8, соответствующее распространению ВГБШ с высоким положительным ТКЧ вдоль оси X1, и направление электродов 9, параллельное оси Y1. А структура 10 имеет направление оси 11, соответствующее распространению волны Рэлея с высоким отрицательным ТКЧ вдоль оси X1, и направление электродов 12 под углом к оси Y1, не превосходящим по модулю 10°. В результате измерения разницы частот компенсируются изменения частоты, не связанные с температурой. Этот пример топологии датчика особенно полезен тем, что направления осей структур параллельны, что значительно сокращает размеры пластины кварца и, соответственно, габариты датчика. Сокращение электрической длины проводников, соединяющих структуры на пластине, уменьшает паразитные изменения характеристик, связанные с электромагнитными явлениями.
Для использования в составе автогенераторов двухвходовый резонатор, показанный на фиг.4, предоставляет больше вариантов включения в различные схемы, обеспечивая гибкость при конструировании измерительной системы в целом.
Таким образом, предложенный чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения температуры является высокоточным устройством для измерения температуры.
Источники информации
1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990, 584 с.
2. Yuriy S. Shmaliy, Gustavo Cerda-Villafana, Oscar Ibarra-Manzano, Victor Plessky. An Analysis of Errors in RFID SAW-Tag Systems with Pulse Position Coding. Applied Mathematics in Electrical and Computer Engineering. Harvard, Cambridge, USA January 25-27, 2012 pp.175-181.
3. Wireless passive SAW identification marks and sensors. L. Reindl, 2-nd Int. Symp. Acoustic wave devices for future mobile communicstion systems, Chiba univ., 2004 - прототип.