ДАТЧИК НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОНООКИСИ УГЛЕРОДА
SENSOR BASED ON SURFACE ACOUSTIC WAVES TO MEASURE CONCENTRATION OF CARBON DIOXIDE

Изобретение относится пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для дистанционного контроля различных физических и химических величин.
Известны датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащие корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода [1, 2] (Dias J.F. Hewlett-Packard J. - 1981 / - V.32, N 12. - P.21-37. [1], Костромин A.C., Розанов И.А., Черных Е.В., Кувахара Хироюки, Томилова Л.Г., Зефиров Н.С. Датчик на поверхностных акустических волнах для детектирования диоксида углерода. Патент РФ RU 2132584 C1, МПК 6 H01L 41/18 от 1999.06.27 [2]). В одном из датчиков звукопровод с ВШП на рабочей поверхности представляет собой линию задержки, которая включается в цепь обратной связи усилителя и представляет собой генератор электрических колебаний, частота которого зависит от температуры или от величины деформации звукопровода [1]. Сигнал от датчика с помощью передающей антенны, подсоединенной к генератору, передается на приемное устройство, которое и осуществляет дистанционный контроль. Устройство другого датчика [2] аналогично, только между ВШП расположена пленка, которая может избирательно поглощать различные вещества. В этом случае датчик может контролировать появления различных веществ. При этом корпус не может быть сделан герметичным, что снижает надежность датчика, так как различные агрессивные вещества могут разрушать металлическую пленку, из которой сделаны ВШП. Так как в состав датчика входит усилитель, то датчику необходим источник питания, который необходимо периодически менять и который может отказать (разрядиться) в непредусмотренное для этого время, что снижает надежность датчика. Кроме того, наличие в усилителе полупроводниковых элементов может привести к выходу его из строя при наличии ионизирующего излучения, что также понижает надежность датчика.
Устранить указанные недостатки позволяет датчик, содержащий герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены двунаправленный приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну, которая расположена вне герметичного корпуса, опорный отражательный однонаправленный ВШП с внутренними отражателями и отражательный однонаправленный ВШП с внутренними отражателями, нагруженный на расположенный вне герметичного корпуса импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой величине, и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода. Величина импеданса может быть чувствительна к температуре, давлению, влажности, ионизирующему излучению, электромагнитному излучению, наличию различных веществ [3] (Багдасарян А.С., Багдасарян С.А., Карапетьян Г.Я., Днепровский В.Г. Датчик физической величины на поверхностных акустических волнах. Патент РФ 2387051 C1, МПК G01D 5/12 от 20.04.2010), принимаемое за прототип.
В данном устройстве коэффициент отражения зависит от величины импеданса, величина которого зависит от измеряемой физической величины. Так как корпус герметичный, ВШП и подложка изолированы от окружающей среды, что повышает надежность датчика. Отсутствие в датчике полупроводниковых элементов делает этот датчик малочувствительным к ионизирующему излучению. Отсутствие источника питания позволяет располагать данный датчик в труднодоступных местах лишь однажды. Опрос датчика производится с помощью считывателя, посылающего опрашивающий электромагнитный импульс, который принимается антенной датчика и преобразуется в поверхностные акустические волны (ПАВ), которые, отражаясь от отражательных ВШП, принимаются приемопередающим ВШП и снова преобразуются в электромагнитный сигнал, который принимается приемником считывателя. При этом задержка и амплитуда отраженных импульсов оказывается разной из-за того, что коэффициент отражения ПАВ от отражательного ВШП, нагруженного на импеданс отличается от коэффициента отражения ПАВ от ненагруженного отражательного ВШП, и они расположены на разных расстояниях от приемо-передающего ВШП. Сравнение амплитуд отраженных импульсов позволяет определить по известной зависимости коэффициента отражения от величины импеданса измеряемую величину. Для определения концентрации моноокиси углерода необходимо использовать импеданс, чувствительный к ее концентрации. Однако существующие импедансы на основе тонких полупроводниковых пленок достаточно высокоомны и существенно ослабляет влияние изменение импеданса на коэффициент отражения ПАВ. Кроме того, сопротивление этих пленок крайне чувствительна к загрязнению.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности измерения путем создания импеданса, чувствительного к концентрации моноокиси углерода, при котором даже его незначительное изменение вызывает заметное изменение коэффициента отражения ПАВ от ВШП.
Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в обеспечении максимальной чувствительность датчика к концентрации моноокиси углерода за счет использования в качестве импеданса, зависящего от концентрации моноокиси углерода, наностержней оксида цинка, сопротивление которых близко к сопротивлению излучения отражательного ВШП.
Это достигается тем, что в датчике, содержащем герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну, которая расположена вне герметичного корпуса, опорный отражательный ВШП и отражательный ВШП, нагруженный на расположенный вне герметичного корпуса импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой величине, и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода, импеданс выполнен в виде решетки параллельно-соединенных наностержней окиси цинка.
На фиг.1 показана топологическая структура устройства на ПАВ в соответствии с изобретением.
Датчик содержит пьезоэлектрический звукопровод 1, на рабочей поверхности которого расположены приемо-передающий ВШП 2, отражательный однонаправленный ВШП 3, который нагружен на импеданс 4 из связанных наностержней окиси цинка, другой отражательный однонаправленный ВШП 5. На торцах звукопровода расположены акустопоглотители 6, а ВШП 2 нагружен на приемопередающую антенну 7. Звукопровод вместе с ВШП помещен в герметичный корпус 8.
На фиг.2 показано схематическое изображение чувствительного элемента ПАВ сенсора СО (импеданса). Верхний электрод 9 наносится непосредственно на решетку наностержней оксида цинка 10, которые выращиваются на буферном подслое оксида цинка 11 для улучшения вертикальной ориентации ZnO наностержней 10. Этот пленочный подслой оксида цинка 11 напыляется на сапфировую подложку 12. Нижний золотой электрод 13 напылялся на подслой оксида цинка 11, который выступает справа из-под наностержней 10.
Датчик работает следующим образом. При подаче на приемопередающую антенну 7 опрашивающего электромагнитного импульса он с помощью ВШП 2 преобразуется в импульсы ПАВ, которые отражаются от ВШП 3 и ВШП 5. Отраженные импульсы ПАВ от ВШП 3, 5 преобразуются обратно с помощью ВШП 2 в электромагнитные импульсы, которые излучаются антенной 7. Так как однонаправленный ВШП 5 не нагружен, то падающие на него ПАВ почти полностью от него отразятся, поскольку однонаправленный ВШП в режиме холостого хода (при отсутствии нагрузки) должен все падающие на него ПАВ отразить обратно. В режиме полного согласования ВШП 3 с нагрузкой в виде связанных наностержней окиси цинка ПАВ отраженные от активных электродов и ПАВ, отраженные от внутренних отражателей, находятся в противофазе. В этом случае ВШП 3 не будет отражать ПАВ. Но достичь режима полного согласования очень сложно, к тому же это можно сделать только на одной частоте. Поэтому опрашивающий импульс будет отражаться от такого ВШП значительно меньше, чем от ненагруженного ВШП 5, причем коэффициент отражения будет зависеть от степени согласования ВШП 3 с нагрузкой (импедансом) 4, т.е. от величины этой нагрузки Z. Эта величина, в свою очередь, будет зависеть от измеряемой концентрации моноокиси углерода. Следовательно, коэффициент отражения от датчика будет зависеть от измеряемой концентрации. Так как отраженный от ненагруженного отражающего ВШП 5 считывающий импульс будет иметь постоянную амплитуду, то сравнивая эту амплитуду с амплитудой считывающего импульса, отраженного от ВШП 3, можно судить об измеряемой физической величине. Соотношение этих амплитуд не будет зависеть от взаимного расположения антенн считывателя датчика, а будет зависеть только от соотношения коэффициентов отражения от ВШП 3 и 5, которое зависит от величины импеданса, нагруженного на ВШП 3, а, следовательно, от измеряемой физической величины.
2
-2
Решетка ZnO наностержней 10 на сапфировой подложке 12 (см. фиг.2) напылялась нами методом импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона [4] (М. Lorenz, М.; Kaidashev, Е.М.; Rahm, A.; Nobis, Th.; Lenzner, J.; Wagner, J.G.; Spemann, D.; Hochmuth, H.; Grundmann, M. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 143113). Напыления проводили в вакуумируемой кварцевой ячейке с внешним резистивным нагревателем. Лазерное излучение KrF лазера (λ=248 нм, E=300 мДж) фокусировалось на поверхность вращающейся керамической мишени ZnO. Плотность мощности на поверхности мишени составляла 2 Дж/см. Расстояние мишень-подложка составляло 5-35 мм. Частота следования лазерных импульсов составляла 3-10 Гц. Синтез микро- и нанокристаллов осуществляли за 12000-24000 лазерных импульсов. Температура подложки варьировалась в диапазоне 850-950°C. Поток аргона составлял 50 sccm при давлении 75-300 мбар. Монокристаллические подложки c- и a-сапфира размером 10×10×0,5 мм с буферным слоем оксида цинка 11 располагались параллельно лазерному факелу. Буферный пленочный подслой оксида цинка 11 напылялся для улучшения вертикальной ориентации ZnO наностержней и для подсоединения нижнего золотого электрода 13. Пленка ZnO напылялась за 10000 лазерных импульсов при давлении кислорода 2×10 мБар, расстоянии мишень-подложка ~70 мм температуре 670°C. В качестве катализатора нами использована пленка золота толщиной 1-2 нм.
Для создания верхнего электрода 9 к решетке наностержней оксида цинка осуществляли напыление золота под углом в 45° в высоком вакууме через маску с круглым отверстием. Благодаря плотному расположению наностержни экранируют друг друга, что препятствуют запылению основания структуры. Таким образом, золотой контакт создается в верхней части наностержней и объединяет их между собой.
0
Пример выполнения. Датчик выполнен на звукопроводе 1 из YX-среза ниобата лития размерами 8×1,4×0,5 мм. ВШП 3 и 5 выполнены с внутренними отражателями с периодом в две длины ПАВ на центральной частоте f=870 МГц и длиной в 33 длины ПАВ на центральной частоте, что обеспечивает однонаправленный режим в 15 дБ. ВШП 2 выполнен двунаправленным с шириной электродов, равной четверти длины ПАВ на центральной частоте, и имеет длину, равную 20 длинам ПАВ. ВШП 5 расположен на расстоянии 2,15 мм от ВШП 2, а ВШП 3 - на расстоянии 4 мм, что обеспечивает задержку между отраженными импульсами в 1 мкс, а переотраженным от ВШП 5 и отраженным от ВШП 3 импульсами - 0,074 мкс при длине считывающего импульса 0,037 мкс, т.е. эти импульсы не перекрываются. Апертуры ВШП 2, 3, 5 выбраны равными 80 длин ПАВ на центральной частоте, что позволяет пренебречь потерями на дифракцию при заданных расстояниях. Сопротивление излучения отражательных ВШП близко к 50 Ом. Вносимые потери при подаче сигнала на ВШП 2 и съеме его с ВШП 3 составили 10 дБ. Звукопровод вместе с ВШП помещен в герметичный корпус. Антенна 7 в виде полуволнового вибратора и импеданс 4 расположены вне корпуса.
Чувствительный элемент ПАВ сенсора СО (импеданс) состоит из параллельно соединенных наностержней оксида цинка 11. Увеличивая площадь верхнего электрода 9 удается снизить общее сопротивление связанной решетки наностержней оксида цинка. Величина нимпеданса Z, зависит от концентрации СО. При адсорбции СО сопротивление чувствительного элемента 4 (импеданса) изменяется в пределах 50 до 400 Ом.
Источники информации
1. Dias J.F. Hewlett-Packard J. - 1981 / - V.32, N 12. - P.21-37.
2. Костромин А.С., Розанов И.А., Черных Е.В., Кувахара Хироюки, Томилова Л.Г., Зефиров Н.С. Датчик на поверхностных акустических волнах для детектирования диоксида углерода. Патент РФ RU 2132584 C1, МПК 6 H01L 41/18 от 1999.06.27.
3. Багдасарян А.С., Багдасарян С.А., Карапетьян Г.Я., Днепровский В.Г. Датчик физической величины на поверхностных акустических волнах. Патент РФ 2387051 C1, МПК G01D 5/12 от 20.04.2010.
4. М. Lorenz, М.; Kaidashev, Е.М.; Rahm, A.; Nobis, Th.; Lenzner, J.; Wagner, J.G.; Spemann, D.; Hochmuth, H.; Grundmann, M. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 143113.