АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПАВ-СЕНСОР
ACOUSTOELECTRIC SURFACE ACOUSTIC WAVE SENSOR

Изобретение относится к устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ), более конкретно - к ПАВ-датчикам, использующим ПАВ, распространяющуюся в системе двух тонких пьезопластин, разделенных вакуумным зазором, и может быть использовано для определения физических и химических параметров газовых сред (жидкости), используя корреляцию изменения скорости такой акустической волны либо частоты, генерируемой в резонаторе ПАВ-устройства для создания беспроводных дистанционных аналитических систем на основе ПАВ-сенсоров и систем радиочастотной идентификации.
Известен ПАВ-сенсор [1, 2], содержащий одиночную пьезопластину, толщина которой сравнима с длиной волны. В качестве рабочей акустической волны в известном ПАВ-сенсоре используется волна Лэмба, распространяющая в одиночной пьезопластине, толщина которой сравнима с длиной волны λ. Недостатком известного решения является низкая чувствительность.
Известен ПАВ-сенсор [3], содержащий две пьезопластины, разделенные вакуумным зазором (ширина зазора сравнима или меньше длины волны). При этом толщина одной пьезопластины сравнима с длиной волны λ, а толщина другой пьезопластины много больше длины волны λ. В данном устройстве распространяется щелевая электроакустическая волна (ЩЭАВ), скорость и частота которой меняются при изменении типа и состава газа (жидкости) [4].
Эффективность таких сенсоров сравнительно мала, что не позволяет их использовать при конструировании высокоэффективных акустоэлектронных датчиков давления, анализаторов газа и жидкости.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности признаков является ПАВ-сенсор [3], принятый за прототип.
ПАВ-сенсор [3], использующий щелевую электроакустическую волну, включает: пьезоэлектрическую среду, имеющую в одной своей части тонкую пьезоэлектрическую мембрану и полубесконечную пьезоэлектрическую среду в другой части, разделенные вакуумным зазором, внутри которого распространяется щелевая акустическая волна; входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП), сформированный на внутренней поверхности пьезоэлектрической среды с одной стороны для преобразования электрического входного сигнала в щелевую акустическую волну; выходной ВШП, сформированный на этой же внутренней поверхности пьезоэлектрической среды с другой стороны, напротив входного ВШП, для приема распространяющейся щелевой акустической волны и для преобразования волны в электрический сигнал; входной порт для входа жидкости в вакуумный зазор в пьезоэлектрической среде; выходной порт для выхода жидкости из вакуумного зазора в пьезоэлектрической среде, посредством чего жидкость чувствуется устройством. Когда жидкость протекает через вакуумный зазор, диэлектрическая проницаемость и вязкость жидкости определяются путем измерения частоты и скорости щелевой акустической волны.
Недостатком прототипа является низкая чувствительность и недостаточная эффективность сенсора.
Задачей изобретения является создание акустоэлектронного ПАВ-сенсора с повышенной чувствительностью для использования его при определении типа и состава газа (жидкости).
Техническим результатом данного изобретения является повышение чувствительности и эффективности ПАВ-сенсора при определении физических и химических параметров газовых сред (жидкости), преимущественно в беспроводных дистанционных аналитических системах на основе ПАВ-сенсоров.
1
2
Технический результат достигается тем, что акустоэлектронный ПАВ-сенсор, содержащий разделенные вакуумным зазором две монокристаллические пьезопластины, на внутренней поверхности одной из которых сформированы два идентичных, расположенных напротив друг друга встречно-штыревых преобразователя: входной передающий для преобразования входного электрического сигнала в электроакустическую волну и выходной приемный, служащий для преобразования электроакустической волны в электрический сигнал; входной порт для входа газа (жидкости) в вакуумный зазор; выходной порт для выхода газа (жидкости) из вакуумного зазора, характеризуется тем, что толщины пьезопластин H, Н меньше или сравнимы с длиной волны λ, а ширина вакуумного зазора Н меньше длины волны λ.
На фиг.1 представлена конструкция предложенного акустоэлектронного ПАВ-сенсора.
Конструкция содержит две монокристаллические пьезопластины (1) толщиной
1
2
H, Н, разделенные вакуумным зазором (2) шириной Н.
На внутренней поверхности одной из пьезопластин фотолитографическим способом нанесены передающий (входной) и приемный (выходной) ВШП (3).
Входной ВШП служит для преобразования электрического входного сигнала в акустическую волну. Выходной ВШП, сформированный на той же внутренней поверхности пьезоэлектрической среды с другой стороны, напротив входного ВШП, служит для приема распространяющейся акустической волны и преобразования волны в электрический сигнал.
В системе тонкая пьезопластина - вакуумный зазор - тонкая пьезопластина распространяется электроакустическая волна, которую будем в дальнейшем называть электроакустической волной в системе двух тонких пьезопластин, разделенных вакуумным зазором.
В вакуумный зазор (2) через входной порт (4) вводится, а через выходной порт (5) выводится исследуемый газ (жидкость). Приемный и передающий ВШП покрыты диэлектрическим слоем (6) для устранения контакта ВШП с исследуемым газом (жидкостью). Сами пьезопластины закреплены на массивных диэлектрических (металлических) подложках (7). Ширина вакуумного зазора определяется толщиной диэлектрических прокладок (8).
Процесс определения типа и состава исследуемого газа (жидкости) происходит следующим образом:
входной ВШП, сформированный с одной стороны внутренней поверхности пьезоэлектрической среды, за счет пьезоэффекта преобразует электрический сигнал в акустическую волну;
выходной ВШП, сформированный с другой стороны этой же поверхности напротив входного ВШП, служит для приема распространяющейся акустической волны и преобразования волны в электрический сигнал;
входной порт (4) служит для входа газа (жидкости) в вакуумный зазор;
выходной порт (5) служит для выхода газа (жидкости) из вакуумного зазора;
диэлектрическая проницаемость газа (жидкости), проходящего через вакуумный зазор, определяется путем определения изменения скорости или частоты акустической волны при наличии газа (жидкости) в вакуумном зазоре (2).
0
1
Когда акустическая волна распространяется в вакуумном зазоре (2) между двумя пьезоэлектрическими пластинами, фазовая скорость акустической волны зависит от диэлектрической проницаемости газа (жидкости) в вакуумном зазоре (2). Если обозначить скорость акустической волны, распространяющейся в вакуумном зазоре, как v, а скорость акустической волны, распространяющейся в вакуумном зазоре с газом (жидкостью), как v, то эти скорости будут отличаться тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость газа (жидкости). Тип газа (жидкости) определяется ее диэлектрической проницаемостью.
0
0
0
0
Для того чтобы определить тип газа (жидкости) (диэлектрическую проницаемость), измеряется частота f акустической волны, распространяющейся в вакуумном зазоре (2), и рассчитывается фазовая скорость v. В данном случае связь между частотой и скоростью устанавливается с помощью соотношения v=λ*f.
1
1
1
1
1
Когда газ (жидкость) проходит в вакуумном зазоре (2) через входной порт (4), измеряется частота f акустической волны и рассчитывается фазовая скорость v. Частота f акустической волны определяется после того, как устанавливается стационарное течение газа (жидкости) в вакуумном зазоре (2). В данном случае связь между частотой и скоростью устанавливается с помощью соотношения v=λ*f.
0
1
0
1
Таким образом, диэлектрическая проницаемость газа (жидкости), проходящего через вакуумный зазор (2), может быть определена по различию частот f и f или по различию скоростей v и v.
Для этого необходимо предварительно протабулировать зависимости изменения частоты или скорости акустической волны от величины диэлектрической проницаемости для различных видов жидкости и сформировать эти зависимости в виде базы данных.
Диэлектрическая проницаемость газа (жидкости) может быть определена путем поиска в этой базе данных соответствующих ближайших значений, таким образом, ПАВ-устройство может работать как датчик газа (жидкости).
Методика определения типа газа (жидкости) с помощью ПАВ-сенсора включает следующие шаги:
(a) измерение частоты акустической волны, проходящей через пустой вакуумный зазор, и расчет фазовой скорости;
(b) измерение частоты акустической волны и расчет фазовой скорости при наличии газа (жидкости), проходящего в вакуумном зазоре через входной порт;
(c) определение диэлектрической проницаемости газа (жидкости), проходящего через вакуумный зазор, по изменению частоты или скорости волны и идентификация тем самым типа газа (жидкости).
На шаге (с) диэлектрическая проницаемость газа (жидкости) определяется путем сравнения полученных данных с величинами, установленными ранее для диэлектрической проницаемости известных газов (жидкостей).
Сама конструкция ВШП, нанесенная фотолитографическим способом, может быть трех типов.
На фиг.2а представлена конструкция обычного двухфазного ВШП. При этом ширина металлических электродов и зазор между ними равны λ/4. На фиг.2b изображена конструкция двухфазного ВШП с двойными (расщепленными) электродами, при помощи которых может быть существенно снижен уровень внутренних отражений волны от электродов, поскольку частота электрического резонанса в 2 раза меньше частоты механического. При этом ширина электродов и зазор между ними равны λ/8.
На фиг.3 показана конструкция однофазного преобразователя, электроды (11) которого расположены на обеих сторонах поверхности пьезопластины (12). При этом нижний электрод - сплошной, а ширина верхних электродов и зазор между ними равны λ/2.
3
3
В качестве монокристаллических пьезопластин могут быть использованы: пьезопластина XY-среза ниобата лития (LiNbO, тригональная сингония), либо ниобата калия (KNbO, ромбическая сингония), либо освинцованного ниобата калия (PKN, орторомбическая сингония). В случае использования пьезопластин ниобата лития XY-среза распространяется квазипоперечная нормальная акустическая волна. Это квазигоризонтально-поперечная сдвиговая высокоскоростная акустическая волна, практически не имеющая компоненты механического смещения, нормальной к поверхности. В случае использования пьезопластин ниобата калия либо освинцованного ниобата калия XY-среза распространяется чисто поперечная нормальная акустическая волна (SH-волна). Это горизонтально-поперечная сдвиговая высокоскоростная волна, не имеющая компоненты механического смещения, нормальной к поверхности.
2
Благодаря этому такие волны распространяются в системе двух тонких пьезопластин, находящихся в контакте с газом (жидкостью), без радиационных потерь, которые обусловлены излучением энергии волны в газовую (жидкую) среду. Кроме того, особенностью горизонтально-поперечной сдвиговой акустической волны является то, что при определенной толщине пьезопластин (примерно 0.1 длины волны (λ)) коэффициент электромеханической связи К может быть очень высоким, что существенно увеличивает чувствительность сенсора.
2
3
На фиг.4 изображена рассчитанная зависимость величины К и фазовой скорости волны V от относительной толщины вакуумного зазора (Н/λ) для пьезопластин LiNbO XY-среза толщиной (H1/λ=H2/λ=0.1, 0.2, 0.5).
3
На фиг.5 показана рассчитанная зависимость фазовой скорости волны V от величины относительной диэлектрической проницаемости газа (eps) в системе двух пьезопластин LiNbO XY-среза с относительной толщиной Н1/λ=Н2/λ=0.1, разделенных вакуумным зазором толщиной H/λ=0.05. Как видно из фиг.5, зависимость скорости волны V от eps имеет линейный характер.
Литература
[1] United States Patent, patent Number 5, 189, 914, March 2, 1993, White, et al. Plate-mode ultrasonic sensor.
[2] United States Patent, patent Number 5, 212, 988, May 25, 1993, White, et al. Plate-mode ultrasonic structure including a gel.
[3] United States Patent, patent Number US 2005/0156484 A1, Jul. 21, 2005, V.Cherednick, M.Dvoesherstov, Y.L.Choi.
[4] М.Ю.Двоешерстов, В.И.Чередник, С.Г.Петров, А.П.Чириманов. Численный анализ щелевых электроакустических волн // Акустический журнал. 2004. Т.50. №4. С.1-6.
[5] М.Ю.Двоешерстов, В.И.Чередник, С.Г.Петров, А.П.Чириманов. Электроакустические волны Лэмба в пьезокристаллических пластинах // Акустический журнал, 2004, Т.50, №5, с.633-639.