ДАТЧИК НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относиться к области измерительной техники, и предназначена для измерения состояния окружающей среды и состояния объектов.
Известно устройство на поверхностных акустических волнах, описанное в патенте США US №8006563, МПК G01L 11/04, опубл. 30.08.2011 г., содержащее пьезоэлектрическую подложку, на которой расположен встречно-штыревой преобразователь, закрепленную по краям на мембране так, чтобы растяжение пьезоэлектрической подложки происходило в заданном направлении.
Однако такое устройство имеет низкую чувствительность к деформации мембраны за счет давления.
Наиболее близким по технической сущности является датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ), описанный в описанный в патенте RU №2427943, МПК H01L 41/08, опубл. 27.08.2011 года, содержащий пьезоэлектрическую подложку, на которой расположен, по крайней мере, один встречно-штыревой преобразователь с встречно-штыревыми электродами, и отражательные решетки, размещенные с одной стороны встречно-штыревого преобразователя. Чувствительный к измеряемому воздействию слой нанесен на одну из отражательных решеток.
Недостатком такого датчика является низкая чувствительность к измеряемым физическим воздействиям.
Технической задачей полезной модели является повышение точности измерения физических воздействий.
Технический результат заключается в повышении чувствительности датчика к измеряемым физическим воздействиям, достигается при расположении отражательных решеток по обеим сторонам от встречно-штыревого преобразователя Этот результат достигается тем, что известный датчик на поверхностных акустических волнах, содержащий пьезоэлектрическую подложку, по крайней мере, один встречно-штыревой преобразователь, содержащий две группы электродов, и не менее двух отражательных решеток, которые расположены по обеим сторонам встречно-штыревого преобразователя, датчик снабжен, по крайней мере, одним слоем, расположенным поверх встречно-штыревого преобразователя и отражательных решеток, выполненным из материала, имеющего более высокую чувствительность физических свойств к измеряемым физическим воздействиям, чем материал пьезоэлектрической подложки.
Сущность датчика поясняется чертежом, на котором представлен внешний вид датчика.
Датчик на поверхностных акустических волнах содержит пьезоэлектрическую подложку 1, по крайней мере, один встречно-штыревой преобразователь 2, состоящий из двух групп соединенных между собой электродов 3 и 4, по крайней мере, две отражательные решетки 5 и 6, расположенные по обеим сторонам встречно-штыревого преобразователя 2. Поверх встречно-штыревого преобразователя 2 и обеих отражательных решеток 5 и 6, расположен, по крайней мере, один слой 7 из материала, имеющего более высокую чувствительность скорости акустической волны к измеряемым физическим воздействиям, чем материал пьезоэлектрической подложки 1.
Датчик на поверхностных акустических волнах работает следующим образом.
При приложении переменного электрического напряжения к встречно-штыревому преобразователю 2 (к одной группе электродов 3 относительно другой группы электродов 4), за счет обратного пьезоэффекта в пьезоэлектрической подложке 1 возбуждаются механические колебания. В результате этого в пьезоэлектрической подложке 1 распространяются акустические волны, в том числе, поверхностная акустическая волна. Поверхностная акустическая волна распространяется вдоль поверхности от встречно-штыревого преобразователя 2 в стороны отражательных решеток 5 и 6, которые отражают ее обратно в сторону встречно-штыревого преобразователя 2, при этом за счет прямого пьезоэффекта на встречно-штыревом преобразователем 2 появляется переменное электрическое напряжение, которое складывается с учетом соответствующей фазы с приложенным электрическим напряжением. Для работы устройства требуется, по крайней мере, один встречно-штыревой преобразователь 2, обеспечивающий возбуждение механических колебаний, и, по крайней мере, две отражательные решетки 5 и 6, обеспечивающие отражение поверхностной акустической волны в сторону встречно-штыревого преобразователя 2.
Поверх встречно-штыревого преобразователя 2 и отражательных решеток 5 и 6 расположен, по крайней мере, один слой 7, имеющий более высокую чувствительность физических свойств к измеряемым физическим воздействиям, чем пьезоэлектрическая подложка 1. Добавление слоя 7 приводит к модификации поверхностной акустической волны таким образом, что часть энергии волны распространяется в слое. За счет этого физические свойства слоя 7 оказывают влияние на скорость модифицированной слоем поверхностной акустической волны, а в результате на резонансную частоту датчика, несущую информацию о результатах измерения.
На некоторых частотах, называемых резонансными, за счет синфазного сложения волн, приходящих на встречно-штыревой преобразователь 2 в результате многократных отражений, электрические параметры устройства существенно отличаются от параметров на иных частотах. Резонансные частоты зависят от скорости распространения поверхностной акустической волны. При наличии физического воздействия скорость поверхностной волны в подложке изменяется, что приводит к изменению резонансных частот. Измерение резонансных частот производится посредством измерения электрических характеристик устройства, например, его частотной характеристики, или его импульсной характеристики.
В режиме, использующим многократные отражения, устройство работает на резонансной частоте, как резонатор, при этом свойства отражательных решеток 5 и 6 должны быть одинаковыми, иначе они будут отражать на разных частотах и синфазного сложения акустических волн не произойдет. Поэтому отражательные решетки 5 и 6 должны быть расположены по обеим сторонам от втречно-штыревого преобразователя 2 и могут быть покрыты одинаковым слоем 7 из материала, имеющего более высокую чувствительность скорости акустической волны к измеряемым физическим воздействиям, чем материал пьезоэлектрической подложки 1
Так как свойства пьезоэлектрической подложки 1 определяются свойствами пьезоэлектрического материала, например, монокристалла, то для наиболее чувствительного датчика выбирают не только сам монокристалл, но и ориентацию подложки, а именно, ориентацию среза и направление распространения поверхностной акустической волны. После осуществления выбора материала и среза монокристалла дальнейшее повышение чувствительности датчика, невозможно.
В качестве первого примера, рассмотрим датчик деформации на поверхностных акустических волнах. Его часто изготавливают из монокристаллического кварца. За счет выбора ориентации подложки и направления распространения поверхностной акустической волны можно увеличить чувствительность в 3-4 раза по сравнению с наиболее часто используемым ST-срезом кварца. Чувствительность скорости поверхностной акустической волны к статической деформации связана с соотношением между компонентами тензора модулей упругости третьего порядка и компонентами тензора модулей упругости второго порядка. В таблицах упругих свойств известных материалов присутствуют материалы, имеющие в несколько раз более высокие значения модулей упругости третьего порядка (по отношению к модулям упругости второго порядка), чем у пьезоэлектрических монокристаллов. Если слой 7 состоит из такого материала, то возможно дальнейшее повышение чувствительности датчика к деформации, по сравнению с тем значением, которое достигается только выбором пьезоэлектрического кристалла и ориентации.
В качестве другого примера рассмотрим датчик температуры. В пригодных для высоких частот пьезоэлектрических кристаллах, в зависимости от ориентации подложки, температурный коэффициент скорости поверхностных акустических волн может изменяться в пределах от -150 до +150 миллионных долей на градус Цельсия. Изменение резонансной частоты определяется температурным коэффициентом скорости поверхностных акустических волн и коэффициентом линейного расширения в направлении распространения поверхностных акустических волн (обычно, от -10 до +30 миллионных долей на градус Цельсия). Добавление слоя 7 из материала с высокой чувствительностью физических свойств к температуре приводит к повышению чувствительности скорости поверхностных акустических волн к температуре. В результате, применение такого слоя 7 позволяет довести нижний предел до -400 миллионных долей на градус Цельсия.
Использование полезной модели позволяет повысить точность измерения физических воздействий