ПАССИВНЫЙ ДАТЧИК НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
PASSIVE SENSOR ON SURFACE ACOUSTIC WAVES

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин дистанционно по радио.
Известен пассивный датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ) по патенту РФ №2105993, опубл. 27.02.1998 года, МПК G01S 13/75, «Опрашиваемый по радио пассивный датчик на поверхностных акустических волнах» [1], содержащий расположенные на одной подложке из пьезоэлектрического материала встречно штыревой преобразователь (ВШП) и две структуры металлических отражателей ПАВ, первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента, причем металлические отражатели первой ПАВ структуры и металлические отражатели второй ПАВ структуры выполнены с различными чувствительностями по отношению к измеряемой величине.
Недостатками устройства [1] является то, что две структуры металлических отражателей ПАВ, первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента, расположены на сравнительно большом расстоянии друг от друга, а это в свою очередь вносит существенные погрешности в показания измерений.
Прототипом заявляемого технического решения является пассивный датчик на ПАВ по патенту США №7005964, опубл. 18.12.2003 года, МПК G06S 13/75, G06K 7/10, «Сенсор с двойной поверхностной акустической волной» [2], содержащий расположенные на одной подложке из пьезоэлектрического материала ВШП и две структуры металлических отражателей ПАВ, первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента, причем металлические отражатели ПАВ первой структуры и металлические отражатели ПАВ второй структуры выполнены с различными чувствительностями по отношению к измеряемой величине.
Недостатками известного устройства [2] является то, что металлические отражатели ПАВ структуры опорного элемента и чувствительного элемента совмещены соединительными шинами вдоль направления распространения ПАВ и дополнительно содержат общую шину электрической нейтрали, к которой и к шине чувствительного элемента подсоединен (пайкой) внешний чувствительный элемент, что в целом усложняет конструкцию устройства, увеличивает ее стоимость и снижает надежность.
Указанные недостатки ставят задачи снижения погрешности измерений, повышения чувствительности датчика и дальности его считывания, а также упрощения конструкции устройства, технологичности его изготовления и повышения надежности работы.
Указанные задачи решаются тем, что в пассивном датчике на поверхностных акустических волнах, содержащем расположенные на одной подложке из пьезоэлектрического материала ВШП и две структуры металлических отражателей ПАВ, первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента, причем металлические отражатели ПАВ первой структуры и металлические отражатели ПАВ второй структуры выполнены с различными чувствительностями по отношению к измеряемой величине, при этом ВШП выполнен однонаправленным и расположен так, что направление распространения ПАВ от него происходит против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала подложки, а направление ПАВ от металлических отражателей при этом совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ γ≤0, причем металлические отражатели ПАВ структуры опорного элемента и чувствительного элемента выполнены по направлению распространения ПАВ симметричными и разделены между собой электрическим зазором (технологически минимально возможным), при этом металлические отражатели ПАВ второй структуры - чувствительного элемента по всей своей поверхности покрыты слоем материала, чувствительного к измеряемой величине. Симметричные металлические отражатели ПАВ структуры опорного и чувствительного элементов могут быть выполнены совмещенными без электрических зазоров.
Введение признаков «ВШП выполнен однонаправленным и расположен так, что направление распространения ПАВ от него происходит против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала подложки, а направление ПАВ от металлических отражателей при этом совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ γ≤0» необходимо для повышения чувствительности датчика, и следовательно, для повышения дальности считывания показаний пассивного датчика. Чувствительность повышается из-за увеличения коэффициента отражения от отражателей (электродов) опорной и измерительных ПАВ структур за счет естественных свойств пьезоэлектрического материала.
Введение признака «металлические отражатели ПАВ структуры опорного элемента и чувствительного элемента выполнены по направлению распространения ПАВ симметричными и разделенными между собой минимальным электрическим зазором, при этом отражатели ПАВ второй структуры - чувствительного элемента по всей своей поверхности покрыты слоем материала, чувствительного к измеряемой величине» необходимо для создания соизмеримых уровней отраженных сигналов: опорного - от металлических отражателей без покрытия и сигнального (чувствительного) - от металлических отражателей с покрытием, которое чувствительно к измеряемой величине.
Создание соизмеримых уровней отраженных сигналов от опорного элемента и чувствительного (сигнального) элемента, в свою очередь, снижает погрешность измерений.
Кроме того, выполнение металлических отражателей ПАВ структур опорного и чувствительного элементов по направлению распространения ПАВ симметричными и разделенными между собой технологически минимально возможным электрическим зазором существенно упрощает конструкцию устройства, технологичность его изготовления, а также повышает надежность его работы.
Введение признака «симметричные отражатели ПАВ структуры чувствительного элемента и опорного элемента выполнены без электрических зазоров» необходимо для упрощения технологичности изготовления устройства, и следовательно, для уменьшения его стоимости.
На фиг.1 представлен «Пассивный датчик на ПАВ» с разделенными минимальным электрическим зазором симметричными металлическими отражателями ПАВ структур опорного и чувствительного элементов; на фиг.2 - разрез устройства, представленного на фиг.1 по А-А; на фиг.3 - «Пассивный датчик на ПАВ» с совмещенными (без электрических зазоров между ними) симметричными металлическими отражателями ПАВ структур опорного и чувствительного элементов; на фиг.4 - разрез устройства, представленного на фиг.3 по Б-Б.
Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах содержит расположенные на одной подложке 1 из пьезоэлектрического материала встречно штыревой преобразователь (ВШП) 2 и две структуры металлических отражателей 3 и 4 для поверхностных акустических волн (ПАВ), первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента. Металлические отражатели 3 ПАВ первой структуры и металлические отражатели 4 ПАВ второй структуры выполнены с различными чувствительностями по отношению к измеряемой величине. ВШП 2 выполнен однонаправленным и расположен так, что направление распространения ПАВ от него происходит против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала подложки 1, а направление ПАВ от металлических отражателей 3 и 4 при этом совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки 1, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ: γ≤0. Металлические отражатели 3 и 4 ПАВ структур опорного элемента и чувствительного элемента выполнены по направлению распространения ПАВ симметричными и разделены между собой электрическим зазором 5 (минимально возможным технологически). Металлические отражатели 4 ПАВ второй структуры - чувствительного элемента по всей своей поверхности покрыты слоем материала 6, чувствительного к измеряемой величине. Симметричные металлические отражатели 3 и 4 ПАВ структур опорного и чувствительного элементов могут быть выполнены совмещенными без электрических зазоров 5.
Работа пассивного датчика на ПАВ заключается в следующем:
Поступающий от считывателя из антенны (на чертежах на показана) на однонаправленный ВШП 2 высокочастотный электромагнитный сигнал генерирует в подложке 1 из пьезоэлектрического материала ПАВ, которая распространяется по поверхности подложки 1 против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала, в сторону симметричных (по направлению распространения ПАВ) металлических отражателей 3 и 4, соответственно опорного и чувствительного элементов. При отражении ПАВ от металлических отражателей опорных и чувствительных элементов за счет разности комплексных коэффициентов отражения ПАВ и изменения этой разности при воздействии информационного фактора, изменяется фазовый сдвиг информационного сигнала, по которому в конечном итоге определяют искомую величину.
Металлические отражатели 3 и 4 могут быть разделены между собой минимально возможным технологически электрическими зазорами 5, или могут быть совмещенными (без электрических зазоров 5). Зазор 5 влияет на выравнивание электрических потенциалов металлических отражателей 3 и 4, соответственно опорного и чувствительного элементов. Наличие минимальных электрических зазоров 5 между металлическими отражателями 3 и 4 приводит к гальванической развязке между опорным и полезным сигналами, так как при своем распространении ПАВ сопровождается волной переменного электрического заряда, которая также отражается от структур опорного и чувствительного элементов с разной фазовой задержкой. При этом механическая и электрическая составляющие ПАВ отражаются со своими фазовыми задержками. Минимальные электрические зазоры 5 между металлическими отражателями 3 и 4 позволяют увеличить чувствительность датчика на ПАВ. Симметричные металлические отражатели 3 и 4 ПАВ структур опорного и чувствительного элементов из-за технологических трудностей и удешевления производства могут быть выполнены и без минимальных электрических зазоров 5 между ними.
Близко расположенные металлические отражатели 3 и 4 опорного и чувствительного элементов позволяют создать соизмеримые уровни отраженных сигналов: опорного - от металлических отражателей 3 без покрытия и сигнального (чувствительного) - от металлических отражателей 4 с покрытием 6, которое чувствительно к измеряемой величине. В свою очередь, создание соизмеримых уровней отраженных сигналов от опорного элемента и чувствительного (сигнального) элемента снижает погрешность измерений устройства.
После возвращения отраженной ПАВ, модулированной металлическими отражателями 3 и 4 - опорного и чувствительного элементов, она генерирует в ВШП 2 высокочастотный электромагнитный сигнал, который через антенну передается считывателю. При этом обратное направление распространения модулированной ПАВ совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки 1, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ γ≤0, и из-за естественных свойств пьезоэлектрического материала происходит повышение чувствительности датчика, и следовательно, происходит повышение дальности считывания показаний пассивного датчика.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями изобретения, так как:
- Пассивный датчик на ПАВ в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию “новизна”.
- Совокупность признаков формулы изобретения устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам конструирования пассивных датчиков на ПАВ, что доказывает соответствие критерию “изобретательский уровень”.
- Конструктивная реализация пассивного датчика на ПАВ не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию “промышленная применимость”.
Источники информации
1. Патент РФ: RU 2105993, опубл. 27.02.1998 года, МПК G01S 13/75, «Опрашиваемый по радио пассивный датчик на поверхностных акустических волнах».
2. Патент США: US 7005964, опубл. 18.12.2003 года, МПК G06S 13/75, G06K 7/10, «Сенсор с двойной поверхностной акустической волной» - прототип.