ПАССИВНЫЙ БЕСПРОВОДНЫЙ ДАТЧИК НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОНООКИСИ УГЛЕРОДА
PASSIVE WIRELESS SURFACE ACOUSTIC WAVE SENSOR FOR MEASURING CONCENTRATION OF CARBON MONOXIDE

Изобретение относится к конструкции датчика газов и паров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), который может быть использован в качестве детектирующего устройства в приборах идентификации газов и паров для дистанционного контроля концентрации моноокиси углерода.
6
Из уровня техники широко 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 (Dias J.F. Hewlett-Packard J. - 1981 / - V. 32, N 12. - Р. 21-37) [1], (RU 2132584 С1, МПК H01L 41/18 дата публ. 1999.06.27) [2], (SU 1681229 A, G01N 29/02, 29/24, 30.01.91) [3], (SU 1105803, G01N 29/00, 30/07/84) [4], RU 2479849, 20.04.2013, WO 2009/102587, 2009.08.20, G01R 27/00 [5]. В известных беспроводных датчиках [1, 2] пьезоэлектрический звукопровод представляет собой линию задержки с ВШП на рабочей поверхности, между которыми расположено пленочное покрытие, которое, поглощая диоксид углерода, меняет свои свойства, что приводит к изменению скорости ПАВ под ним. Линия задержки включена в цепь обратной связи усилителя и представляет собой генератор электрических колебаний, частота которого зависит от величины задержки, а, следовательно, и скорости ПАВ под покрытием, что приводит к изменению частоты генератора. Сигнал от датчика с помощью передающей антенны, подсоединенной к генератору, передается на приемное устройство, которое осуществляет дистанционный контроль. Наличие усилителя требует источника питания, который необходимо периодически заряжать, что затруднительно в труднодоступных местах, например на вершине дымовой трубы.
Этот недостаток устранен в пассивном беспроводном датчике на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода, который содержит 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, и несколько отражателей ПАВ (Wen Wang, Keekeun Lee, Taehyun Kim, Ikmo Park and Sangsik Yang “A novel wireless, passive CO2 sensor incorporating a surface acoustic wave reflective delay line” Smart Mater. Struct. 16 (2007) 1382-1389) [6], принимаемом за прототип настоящего изобретения. Между двумя соседними отражателями расположена тонкая тефлоновая пленка, представляющая собой газочувствительный элемент, в которой изменяется задержка сигнала между отражателями при изменении концентрации диоксида углерода. При попадании на датчик считывающих электромагнитных импульсов приемо-передающий ВШП преобразует их в импульсы ПАВ, которые отражаясь от ПАВ отражателей попадают снова на приемопередающий ВШП, а далее через антенну на считыватель в виде последовательности импульсов. Расстояние между отраженными импульсами определяется расстояниями между отражателями на пьезоэлектрическом звукопроводе и скоростью ПАВ, которая под тефлоновым покрытием изменяется под действием диоксида углерода. Это приводит к тому, что задержка импульсов, отраженных от соседних ПАВ отражателей, между которыми находится тефлоновое покрытие, зависит от концентрации диоксида углерода, что позволяет определять концентрацию газа по величине изменения задержки. Измеряя это изменение в считывателе можно определять концентрацию газа дистанционно, облучая датчик считывающими импульсами со считывателя. Так как датчик не содержит усилителя, то ему не надо источника питания. При этом корпус не может быть сделан герметичным, так как необходим подвод исследуемого газа непосредственно к покрытию на подложке, на которой расположены ВШП и отражатели. Это снижает надежность датчика, так как различные агрессивные вещества могут разрушать металлическую пленку, из которой сделаны ВШП и отражатели и загрязнять поверхность пьезоэлектрического звукопровода между ВШП и отражателями, что приводит к увеличению затухания ПАВ особенно на частотах СВЧ диапазона, где наиболее предпочтительно использовать такие датчики из-за небольшого размера антенн, диапазона (Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах, М., «Радио и связь». 1991, с. 150) [7].
Техническим результатом заявляемого изобретения является исключение разрушения ВШП и отражателей за счет выполнения корпуса датчика герметичным и размещения газочувствительной пленки вне герметичного корпуса, а также повышение при этом чувствительности за счет уменьшения загрязнения поверхности пьезоэлектрического звукопровода, которое приводит увеличению затухания ПАВ.
Указанный технический результат достигается тем, что пассивный беспроводной датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для измерения концентрации моноокиси углерода, содержащий 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, ПАВ отражатели, причем между двумя соседними отражателями расположен газочувствительный элемент, а на торцах звукопровода расположены поглотители ПАВ. Согласно изобретению газочувствительный элемент выполнен из двух частей, одна из которых расположена внутри герметичного корпуса на пьезоэлектрическом звукопроводе между соседними отражателями ПАВ и содержит два вложенных друг в друга секционированных ВШП, расстояние между центрами которых в 5-50 раз меньше длины каждого ВШП и кратно четверти длины ПАВ на центральной частоте, причем секции первого ВШП имеют верхнюю общую шину, а секции второго ВШП имеют нижнюю общую шину, шины секций первого ВШП, расположенные между секциями второго ВШП, соединены меандровым электродом, общим для обоих ВШП, при этом шинами первого ВШП являются нижняя шина и меандровый электрод, а шинами второго ВШП - верхняя шина и меандровый электрод, а вторая часть газочувствительного элемента расположена вне герметичного корпуса и выполнена в виде двух газочувствительных пленок, имеющих одинаковый импеданс и выполненных в виде решеток параллельно соединенных наностержней окиси цинка, каждая газочувствительная пленка расположена на сапфировой подложке и имеет верхний и нижний электроды, которые подключены к шинам каждого из секционированных ВШП соответственно.
Другие отличия состоят в следующем.
- пассивный беспроводный датчик имеет период секционированных ВШП, равный длине ПАВ на центральной частоте;
- расстояние между центрами секционированных ВШП составляет равным 7/4 длины ПАВ на центральной частоте;
- длина каждого секционированного ВШП равна 34 длинам ПАВ;
- приемопередающий ВШП выполнен однонаправленным.
На фиг. 1 приведена конструкция заявляемого пассивного беспроводного датчика на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода.
На фиг. 2 представлена схематически конструкция пленки на сапфировой подложке, где А - вид спереди, Б - вид сбоку, В - вид сверху.
Пассивный беспроводный датчик на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода содержит (фиг. 1) пьезоэлектрический звукопровод 1, на рабочей поверхности которого расположены приемопередающий ВШП 2, отражатели ПАВ 3. Между отражателями 3 расположены два секционированных ВШП 4 и ВШП 5, причем секции первого ВШП 4 имеют верхнюю общую шину, а секции второго ВШП 5 имеют нижнюю общую шину, а шины секций первого ВШП, расположенные между секциями второго ВШП, соединены меандровым электродом 6, который является общим для обоих ВШП. При этом шинами первого ВШП 4 являются нижняя шина и меандровый электрод 6, а шинами второго ВШП 5 - верхняя шина и меандровый электрод 6. Эти секционированные ВШП нагружены на импедансы 7, 8 (Z), из пленок, выполненных в виде решеток, параллельно соединенных наностержней окиси цинка 14, импеданс которых зависит от концентрации газа и которые расположены на сапфировых подложках 16 и имеющих верхний электрод 13 и нижний электрод 17, которые подсоединены к шинам первого и второго секционированных ВШП 4, 5 соответственно. На торцах пьезоэлектрического звукопровода 1 расположены поглотители ПАВ 9, 10, а ВШП 2 нагружен на приемопередающую антенну 11. Пьезоэлектрический звукопровод 1, на котором расположены ВШП 2, 4, 5, меандровый электрод 6, отражатели 3 и поглотители ПАВ 9, 10 установлены в герметичном корпусе 12.
Верхний электрод 13 (фиг. 2А, Б, В) нанесен непосредственно на решетку наностержней оксида цинка 14, которые выращены на буферном подслое оксида цинка 15 для улучшения вертикальной ориентации ZnO наностержней 14. Пленочный подслой оксида цинка 15 напылен на сапфировую подложку 16. Нижний золотой электрод 17 напылен на подслой оксида цинка 14, который выступает слева из-под наностержней 13 (фиг. 2А, Б).
7
2
0
0
0
0
0
0
0
При подаче на приемо-передающую антенну 11 считывающего электромагнитного импульса, последний в ВШП 2 преобразуется в импульсы ПАВ, которые отражаются от отражателей ПАВ 3. ВШП2 выполнен однонаправленным (RU 2195069 С1,  МПК Н03Н 9/145 дата публ. 2002.12.20) [8], чтобы ПАВ излучались преимущественно в сторону отражателей, что приведет к уменьшению затухания отраженных от датчика электромагнитных импульсов, так как излучение ПАВ в противоположную сторону (в сторону поглотителя ПАВ 9) в 10 раз меньше, чем в сторону отражателей ПАВ 3, что уменьшает потери энергии электромагнитного импульса на преобразование в ПАВ, распространяющихся в сторону отражателей ПАВ 3 и секционированных ВШП 4, 5. Чтобы ПАВ, излученные в сторону поглотителя ПАВ 9, не искажали работу датчика (приводили к ложным импульсам) на торце пьезоэлектрического звукопровода нанесен поглотитель ПАВ 9, который поглощает ПАВ и не дает им попасть снова на ВШП 2. При этом длина ВШП должна быть такой, чтобы число отражателей было бы не менее 4/π·k, где k - квадрат коэффициента электромеханической связи для ПАВ. Для пьезоэлектрического звукопровода из YX/128° ниобата лития это число должно быть не менее 13 и выбирается равным 17. Тогда длина ВШП 2 равна 34 длины ПАВ на центральной частоте f, а его полоса рабочих частот равна f/34. Отраженные импульсы от отражателей ПАВ 3 преобразуются обратно с помощью ВШП 2 в электромагнитные импульсы, которые излучаются антенной 11. Между двумя соседними отражателями 3 расположены вложенные друг в друга секционированные ВШП 4 и 5. К шинам каждого их этих ВШП подсоединены импедансы 7, 8 (Z), представляющие пленку, состоящую из наностержней из окиси цинка 14. Пленки расположены на сапфировых подложках 16 и имеют верхний электрод 13 и нижний электрод 17. Один из этих импедансов через электроды 13 и 17 подсоединен к первому секционированному ВШП 4 через нижнюю шину и меандровый электрод 6, а другой через такие же электроды - ко второму секционированному ВШП 5 через шину и меандровый электрод 6. Длина секционированных ВШП 4, 5 выбирается равной длине приемопередающего ВШП 2, т.е. 34 длины ПАВ на центральной частоте f. Тогда импульс ПАВ, полоса частот которого не может быть менее полосы рабочих частот ВШП 2 не искажается при его прохождении под секционированными ВШП 4 и 5, если их центральные частоты совпадают, т.е. период секционированных ВШП равен длине ПАВ на центральной частоте. Расстояние между центрами этих ВШП выбрано много меньше их длины и кратно четверти длины ПАВ (λ) на центральной частоте f и равно (2n+1)λ/4, где n=1, 2, 3 и т.д. Это число выбирается таким образом, чтобы расстояние между центрами секционированных ВШП всегда было много меньше (в 5-50 раз) их длины вдоль направления распространения ПАВ. Тогда ПАВ, отраженные от секционированных ВШП 4, 5, складываются в противофазе на центральной частоте, что приводит к значительному ослаблению коэффициента отражения от этих ВШП, а в фазе они складываются на частотах, которые находятся вне полосы рабочих частот ВШП, что не повлияет на работу датчика. Так, например, при длине секционированных ВШП 4, 5 в 34 длины ПАВ на центральной частоте расстояние между их центрами равно 7 четвертей длин ПАВ на центральной частоте, т.е. n=1, а это расстояние в 19,4 раза меньше длины секционированных ВШП 4, 5, что укладывается в диапазон 5-50 раз. В этом случае частоты, на которых складываются в фазе ПАВ, отраженные от секционированных ВШП 4,5, равны f±4·f/7 и находятся вне полосы рабочих частот, секционированных ВШП 4, 5, которая равна f/34. Тогда ПАВ подходят к отражателю ПАВ 3 почти без ослабления. Далее эти ПАВ отразятся от отражателей ПАВ 3 и достигнут приемо-передающего ВШП 2 и далее через антенну 11 отраженный считывающий электромагнитный импульс в виде последовательности радиоимпульсов, число которых равно числу отражателей, попадет на считыватель. Импульс ПАВ, дошедший до торца пьезоэлектрического звукопровода, поглощается поглотителем ПАВ 10 и не влияет на работу датчика. Так как фазы и модули коэффициентов отражения и прохождения ПАВ под ВШП 4, 5 зависят от нагрузок 7, 8 (Z), подсоединяемых к нему, то фаза ПАВ, прошедших под системой секционированных ВШП 4, 5, также зависит от нагрузок, поскольку коэффициент отражения значительно ослабляется из-за взаимного расположения секционированных ВШП 4, 5 относительно друг друга. Чтобы ПАВ, отраженные от обоих секционированных ВШП 4, 5, компенсировали бы друг друга при отражении от них, импедансы, подсоединенные к ним, должны быть одинаковыми. В противном случае коэффициенты отражения от секционированных ВШП 4, 5 становятся разными, что приведет к значительному росту отражений ПАВ от системы секционированных ВШП 4, 5. Тогда при изменении этих импедансов одинаковым образом изменяется фазы ПАВ, отраженных от отражателей 3 при их прохождении под системой секционированных ВШП 4, 5. Но величина импедансов 7, 8 (Z), сделанных из наностержней окиси цинка 14, изменяется при изменении концентрации моноокиси углерода, что приведет к изменению фазы ПАВ при их прохождении под системой секционированных ВШП между соседними отражателями ПАВ 3, где находятся секционированные ВШП 4, 5. При этом импедансы Z расположены вне герметичного корпуса 12, и газ не попадает на поверхность пьезоэлектрического звукопровода, по которой распространяются ПАВ, не вызывая ее загрязнения и разрушения металлической пленки, из которой выполнены ВШП и отражатели, а также к уменьшению загрязнения пьезоэлектрического звукопровода примесями газовой измеряемой среды, что приводит к повышению чувствительности датчика на частотах СВЧ-диапазона.
2
3
-2
8
9
2
Решетка ZnO наностержней 14 на сапфировой подложке 15 (см. фиг. 2А, Б, В) изготавливалась методом импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона (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) [9]. Напыление проводили в вакуумируемой кварцевой ячейке с внешним резистивным нагревателем. Лазерное излучение KrF лазера (λ=248 нм, Е=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 16 варьировалась в диапазоне 850-950°C. Поток аргона составлял 50 см/мин при давлении 75-300 мбар. Монокристаллические подложки 16 с- и а-сапфира с буферным слоем оксида цинка 15 располагались параллельно лазерному факелу. Буферный пленочный подслой оксида цинка 15 напылялся для улучшения вертикальной ориентации ZnO наностержней 14 и для подсоединения нижнего золотого электрода 17. Пленка ZnO напылялась за 10000 лазерных импульсов при давлении кислорода 2×10 мбар, расстоянии мишень - подложка ~70 мм, температуре 670°C. В качестве катализатора использована пленка золота толщиной 1-2 нм. Для создания верхнего электрода 13 к решетке наностержней оксида цинка осуществляли напыление золота под углом в 45° в высоком вакууме через маску с круглым отверстием. Благодаря плотному расположению (10-10 штук/см) наностержни экранируют друг друга, что препятствуют запылению основания структуры. Таким образом, золотой контакт создается в верхней части наностержней и объединяет их между собой.
0
0
0
0
0
Датчик выполнен на пьезоэлектрическом звукопроводе 1 из YX/128° - среза ниобата лития размерами 8×1,4×0,5 мм. ВШП 2 выполнен с внутренними отражателями [8] на центральную частоту f=870 МГц и длиной в 33 длины ПАВ на центральной частоте, что обеспечивает однонаправленный режим в 15 дБ, отражатели выполнены в виде двунаправленных ВШП с числом электродов, равным 3. Период секционированных ВШП 4, 5 выбран равным длине ПАВ на центральной частоте и равен 4,4 мкм. Величина перекрытия электродов во всех ВШП выбрана равной 80 длинам ПАВ на центральной частоте. Расстояние между центрами секционированных ВШП 4, 5 выбрано равным 7/4 длин ПАВ на центральной частоте, а длина каждого из секционированных ВШП равна 34 длины ПАВ. В этом случае частоты, на которых ПАВ, отраженные от секционированных ВШП 4, 5, находятся на частотах f±4f/7=870±497,1 МГц, что вне полосы рабочих частот этих ВШП, которая равна f±f/34=870±25,6 МГц, и равна полосе рабочих частот приемопередающего ВШП 2. Пьезоэлектрический звукопровод расположен в герметичном SMD корпусе 12 (корпус KD-V99377-A фирмы «KYOCERA»), к выводам которого подсоединена антенна в виде полуволнового вибратора длиной 16 см. Пленки из наностолбиков оксида цинка 14, располагались на сапфировых подложках размером 10×10×0,5 мм.
Если наностолбики ZnO 14 находятся в атмосфере моноокиси углерода, то при изменении ее концентрации на 50-100 ppm, как показали измерения, фаза ПАВ между отражателями 3, где расположены секционированные ВШП 4, 5 изменяется на несколько десятков градусов.
Источники информации
1. Dias J.F. Hewlett- Packard J. - 1981 / - V. 32, N 12. - P. 21-37
6
2. RU 2132584 C1,  МПК H01L 41/18 дата публ. 1999.06.27
3. SU 1681229 A, G01N 29/02, 29/24, 30.01.91
4. SU 1105803, G01N 29/00, 30/07/84
5. RU 2479849, 20.04.2013, WO 2009/102587, 2009.08.20, G01R 27/00
6. Wen Wang, Keekeun Lee, Taehyun Kim, Ikmo Park and Sangsik Yang “A novel wireless, passive CO2 sensor incorporating a surface acoustic wave reflective delay line” Smart Mater. Struct. 16 (2007) 1382-1389 - прототип
7. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах, М., «Радио и связь». 1991, с. 150.
7
8. RU 2195069 С1,  МПК Н03Н 9/145, дата публ. 2002.12.20
9. 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.