ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
SENSITIVE ELEMENT ON SURFACE ACOUSTIC WAVES FOR TEMPERATURE MEASUREMENT

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения температуры.
При использовании дифференциальных методов измерения температуры при помощи измерительных линий задержки или резонаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ), чувствительность ограничивается малым отклонением параметров зондирующих сигналов акустических путей относительно друг друга, что не позволяет точно измерять незначительные изменения температуры. Согласно известному уровню техники преимущественно у всех аналогов недостатком является нечувствительность к небольшим изменениям температуры и зависимость показаний от температурных параметров пьезоматериала. Повышение отклонения параметров сигнала достигается посредством использования различных пьезоматериалов или направлений распространения ПАВ.
Известен беспроводной пассивный сенсор температуры [1], представляющий собой линию задержки на ПАВ. В качестве информационного сигнала используется время задержки. Измерение проводится только одним акустическим путем. Таким образом, разрешение датчика сравнительно низкое. Недостатком устройства является малая чувствительность к незначительным изменениям температуры и низкая точность измерения. На некоторых участках диапазона информационный сигнал незначительно выделяется на фоне шума ввиду потерь мощности на входе.
Известен пассивный беспроводной сенсор на ПАВ [2], содержащий, как минимум, один резонатор на ПАВ или несколько резонаторов с разными ТКЗ, объединенных в сенсорный массив. Резонатор сформирован на пластине из кварца и состоит из преобразователя со встречно-штыревыми электродами и расположенных по обе стороны от ВШП отражающих структур. В качестве информационного сигнала используется собственная (резонансная) частота резонатора. Измерение проводится преимущественно по смещению резонансной частоты в зависимости от температуры, из-за чего девиация сигнала физически ограничена параметрами пьезоплаты. Недостатком данного сенсора на ПАВ является малая девиация частоты и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Известен сенсор на поверхностных акустических волнах для измерения температуры [3], в котором две линии задержки реализованы на одном пьезокристалле, а акустические пути расположены под отличными друг от друга углами и имеют разные температурные коэффициенты задержки (ТКЗ). Используя один пьезосубстрат, разница ТКЗ (температурный коэффициент задержки) является ограниченной, а устройство сталкивается с физическим пределом девиации зондирующих сигналов. Отличия сигналов с двух акустических путей на разных участках измеряемого диапазона могут быть минимальны, а эти участки могут находиться в невыгодных областях диапазона. На определенных значениях диапазона присутствуют точки инверсии, где показания одного из акустических путей уже не предоставляют полезных данных. Устройство имеет большую точность, чем остальные аналоги. Применение различных пьезоматериалов может, в некоторой степени, дополнительно увеличить точность, но не избавляет от возможных точек инверсии ТКЗ, т.е. на определенном значении температуры температурно-зависимое время задержки равно на обоих акустических путях.
3
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является чувствительный элемент на ПАВ, который используется в качестве температурного сенсора на основе рефлекторной линии задержки на ПАВ [4]. Чувствительный элемент содержит пьезоплату из ниобата лития (LiNbO), на поверхности которой сформирован встречно-штыревой преобразователь и с одной стороны от ВШП расположены отражающие структуры. В качестве информационного сигнала используется время задержки. Измерение производится одним акустическим путем, при малом изменении времени задержки, что физически ограничивает разрешение измерения и не позволяет точно измерять незначительные изменения температуры.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности устройства к небольшим изменениям температуры и повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для измерения температуры, содержит две идентичные линии задержки (ЛЗ) с акустическими путями. Каждая ЛЗ образована сформированными на поверхности пьезоплаты ПАВ-структурами, включающими встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и, по меньшей мере, одну отражающую структуру, состоящую из секций, выполненных в виде системы канавок или штырей с переменным или постоянным периодом. При этом на обратной стороне пьезоплаты относительно области расположения ПАВ-структур второй ЛЗ установлен, по меньшей мере, один деформирующий элемент (ДЭ), тепловой коэффициент линейного расширения (ТКЛР) которого отличен от ТКЛР пьезоплаты, а область пьезоплаты, по которой проходит акустический путь первой ЛЗ не соприкасается с областью пьезоплаты, по которой проходит акустический путь второй ЛЗ.
Предложенное изобретение позволяет точнее измерять температуру, поскольку измерение опирается на минимум два акустических пути, а температурно-зависимой является не только пьезоплата, но и деформирующий элемент, который позволяет выявить даже незначительные колебания температуры. Деформирующий элемент создает механическое напряжение на одном из акустических путей, которое оказывает сильное влияние на распространение ПАВ. Не подверженный влиянию деформирующего элемента акустический путь является отсчетным и измеряет текущее значение температуры на основании градуировочной характеристики. Акустический путь, подверженный механическому напряжению за счет ДЭ, является измерительным и уточняет это значение, либо вносит искажение формы в комбинированный сигнал. Зондирующий сигнал на деформируемом акустическом пути значительнее подвержен искажению/затуханию, следовательно, отклонения относительно первого пути можно наблюдать сразу по ряду характеристик, таких как форма сигнала, амплитуда сигнала и затухание, время задержки.
Для достижения значительного увеличения точности сенсора создается максимально выраженное отклонение зондирующего сигнала на более температурно-чувствительном измерительном акустическом пути, относительно параметров зондирующего сигнала на отсчетном акустическом пути. На измерительном пути, за счет использования ДЭ, на зондирующий сигнал оказывает влияние не только ТКЗ, но и ТКЛР, создающий механическое напряжение, что увеличивает девиацию зондирующего сигнала при незначительных изменениях температуры. Чем больше разница ТКЛР деформирующего элемента и пьезоплаты, тем большее механическое напряжение возникает при изменении температуры, что позволяет регулировать чувствительность устройства выбором материалов исполнения чувствительного элемента.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами:
Фиг. 1 - конструкция чувствительного элемента на ПАВ для измерения температуры, выполненная на одной пьезоплате с одним деформирующим элементом;
Фиг. 2 - конструкция чувствительного элемента на ПАВ для измерения температуры, выполненная на одной пьезоплате с двумя деформирующими элементами;
Фиг. 3 - конструкция чувствительного элемента на ПАВ для измерения температуры, состоящая из двух пьезоплат с деформирующим элементом, выполненным в виде корпусной детали;
3
Фиг. 4 - график зависимости механического напряжения пьезокристалла (пьезоплаты) от температуры (LiNbO - инвар);
3
Фиг. 5 - график зависимости механического напряжения пьезокристалла (пьезоплаты) от температуры (LiNbO - кремний);
Фиг. 6 - график зависимости механического напряжения пьезокристалла (пьезоплаты) от температуры (пьезокварц - инвар);
Фиг. 7 - график зависимости механического напряжения пьезокристалла (пьезоплаты) от температуры (пьезокварц - кремний);
Фиг. 8 - осциллограмма импульсной характеристики ответного сигнала чувствительного элемента на ПАВ для измерения температуры на ЛЗ без деформирующего элемента и ЛЗ с деформирующим элементом.
Чувствительный элемент на ПАВ для измерения температуры содержит две линии задержки с акустическими путями, которые могут быть расположены как на одной пьезоплате (фиг. 1, фиг. 2), так и на двух отдельных пезоплатах (фиг. 3). Линии задержки образованы ПАВ-структурами, включающими, по меньшей мере, одну отражающую структуру 1 и встречно-штыревой преобразователь (ВШП) 2, сформированные на рабочей поверхности пьезоплаты 3 (фиг. 1, фиг. 2) или пезоплат 3 (фиг. 3). Отражающие структуры 1 расположены с одной или с двух сторон от ВШП 2 и состоят из секций, выполненных в виде системы канавок или штырей с переменным или постоянным периодом. На обратной стороне пьезоплаты 3 относительно области расположения ПАВ-структур одной из линий задержки (например, второй ЛЗ) установлен, по меньшей мере, один деформирующий элемент 4.
ВШП 2 представляют собой систему металлических электродов и служат для возбуждения и приема ПАВ. Формирование ВШП 2 реализовано по технологии фотолитографии. Формирование канавок отражающих структур 1 реализовано по технологии травления через маску. Отражающие структуры 1 в виде штырей могут быть выполнены методом фотолитографии.
В качестве деформирующего элемента 4 используется материал с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), отличным от ТКЛР материала пьезоплаты 3, на которой он расположен. Разница этих коэффициентов создает механические напряжения пьезоплаты 3 на одном из акустических путей при изменении температуры. Акустический путь (первый), не подверженный влиянию деформирующего элемента 4 за счет неполного разреза 5 пьезоплаты 3 (фиг. 1, фиг. 2), исключающего соприкосновение пьезоматериала линий задержки в области прохождения акустических путей, или за счет расположения линий задержки на отдельных пьезоплатах 3 (фиг. 3), является отсчетным. Акустический путь второй линии задержки, подверженный механическому напряжению деформирующего элемента 4, является измерительным. Деформирующий элемент 4 служит для усиления девиации зондирующих сигналов на акустических путях.
Деформирующий элемент 4 также может быть выполнен в виде корпусной детали (фиг. 3). При этом пьзоплата 3 первой ЛЗ с отсчетным акустическим путем крепится к корпусной детали 4 в области расположения ВШП 2 с обратной стороны пьезоплаты 3, что не влияет на показания измерений данного акустического пути.
Выбор материалов исполнения чувствительного элемента в значительной степени определяет его технические характеристики, а именно, диапазон измеряемых величин и чувствительность сенсора, необходимые в зависимости от сферы приложений. К примеру, для широкого диапазона измерения целесообразно использовать пьезокварц в качестве пьезоматериала, если же необходима высокая чувствительность, то рационально использовать ниобат лития, поскольку он имеет высокую скорость распространения ПАВ в ненапряженном состоянии субстрата. Важно, чтобы диапазон измеряемых величин соответствовал диапазону упругой деформации пьезоплаты, во избежание растрескивания.
В случае, когда отсчетный и измерительный путь расположены на отдельных пьезоплатах чувствительного элемента (фиг. 3), пьезоплаты могут иметь отличный друг от друга температурный коэффициент задержки.
Относительно диапазона измерений выбирается и материал деформирующего элемента, например сплав марки «Инвар 36 Н» (сплав с железно-никелевой основой) или кремний. При выборе материала для деформирующего элемента следует учитывать, что структура пьезоматериалов, как правило, является анизотропной, а сами пьезоматериалы являются относительно твердыми по сравнению с металлами, например. При сопоставлении ТКЛР материалов пьезоплаты и ДЭ следует помнить, что при высокой разнице присутствует угроза растрескивания пьезоматериала.
Технические характеристики устройства определяет также выбор рабочей частоты устройства. Следует учитывать, что чем выше частота, тем значительнее влияние механического напряжения на параметры распространения ПАВ [5].
Встречно-штыревые преобразователи 2 первой ЛЗ и второй ЛЗ могут быть соединены параллельно или подключены отдельно, в зависимости от способа интерпретации результатов измерений, а также подключены к антенной системе для дистанционного измерения температуры. Отклонение зондирующего сигнала можно наблюдать по форме сигнала, амплитуде и времени задержки соответственно.
Устройство работает следующим образом.
При изменении температуры пьезоплаты изменяется геометрический размер штырей (электродов) ВШП 2, расстояния между электродами, ширина и период следования канавок отражающих структур 1 пьезоплаты 3. В соответствии с изменением геометрических размеров изменяется время задержки, импульсная характеристика отраженного сигнала.
При поступлении зондирующего электрического сигнала от внешнего источника (на фиг. 1, фиг. 2 и фиг.3 не показан) на ВШП 2 первой ЛЗ и второй ЛЗ под действием пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Сформированная ВШП 2 ПАВ распространяется по отсчетному акустическому пути первой ЛЗ и измерительному акустическому пути второй ЛЗ от ВШП 2 к отражающим структурам 1. Дойдя до отражающих структур 1, ПАВ каждой ЛЗ отражается и возвращается на ВШП 2, формируя ответный сигнал с соответствующим временем задержки, амплитуды, формы сигнала при отдельном подключении ВШП, либо с искажением формы и амплитуды комбинированного сигнала при параллельном подключении ВШП.
Измерительный акустический путь первой ЛЗ подвергается механическому напряжению за счет жестко присоединенного к нему деформирующего элемента с тепловым коэффициентом линейного расширения, отличным от ТКЛР пьезоплаты, на которой он установлен. При отклонении температуры от установочной (температуры, при которой производилось присоединение деформирующего элемента к ПАВ устройству), пьезоплата измерительного акустического пути под действием деформации ДЭ тоже начинает деформироваться в одном из двух направлений, в зависимости от того, увеличивается или убывает значение температуры, возникает механическое напряжение. Посредством сопоставления ТКЛР различных материалов для использования в качестве деформирующего элемента и ТКЛР пьезоплаты, можно задать соответствующее направление деформации. Путем использования двух деформирующих элементов (фиг. 3) с разными ТКЛР, возможно реализовать заданные векторы деформации, например S-образную деформацию.
Поверхностное напряжение пьезоплаты в области расположения ПАВ-структур является одним из ключевых параметров. Это механическое напряжение существенно влияет на параметры распространения ПАВ. При установочной температуре различия сигнала на обоих путях будут минимальны, а по мере изменения температуры в любую сторону затухание на измерительном пути будет возрастать, а время задержки будет изменяться в зависимости от характера деформации - в области сжатия материала время задержки будет уменьшаться, а в области растяжения увеличиваться. Измерение температуры осуществляют одним, не подверженным деформации, акустическим путем, затем сопоставляют и уточняют полученные значения показаниями второго, наиболее чувствительного акустического пути, который подвержен воздействию деформирующего элемента. Измерение проводится на основе изменения времени задержки (при отдельном подключении ВШП), характеризующегося температурным коэффициентом задержки. Для каждого акустического пути температура определяется на основе своей градуировочной характеристики. Также возможно вычитать время задержки измерительного акустического пути из времени задержки отсчетного акустического пути, где модуль разницы времени задержки акустических путей будет эквивалентен изменению температуры относительно установочной температуры.
Второй вариант измерения - при параллельном подключении акустических путей. В этом случае зондирующие сигналы непосредственно накладываются и искажают конечный выходной сигнал. Искажение происходит по фазе импульсов и их амплитуде. В результате, на основе градуировочной характеристики вычисляется соответствующая температура. При воздействии деформирующего элемента, между сигналами на разных путях неизбежно происходит рассогласование импульсов по фазе, что обуславливает изменение амплитуды и искажает выходную форму сигнала.
Зондирующий сигнал на деформируемом акустическом пути значительнее подвержен затуханию, что также можно использовать в качестве информационного параметра.
Изменение сигнала на измерительном пути характеризуется механическим напряжением, которое можно определить, сопоставив ТКЛР пьезоплаты и деформирующего элемента. Простейшим образом, которым можно оценить возникающие механические напряжения в скрепленных твердых телах при тепловой деформации, является:
где:
σ - механическое напряжение твердого тела,
Е - модуль упругости (модуль Юнга) тела, для которого рассчитывается напряжение,
1
α - коэффициент теплового линейного расширения пьезоплаты,
2
α - коэффициент теплового линейного расширения деформирующего элемента,
ΔT - изменение температуры.
1
2
Если (α-α)>0, то в области ПАВ-структур будет преобладать растяжение, а в обратном случае - сжатие.
Относительную деформацию конструкции, вызванную изменением температуры, можно определить по формуле:
где:
∈ - относительная деформация конструкции,
Топр - температура, для которой определяется значение,
Туст - температура при которой детали соединялись,
1
α - коэффициенты теплового линейного расширения пьезоплаты,
2
α - коэффициенты теплового линейного расширения деформирующего элемента,
Пьезоэффект - явление, сущность которого состоит в том, что упругие деформации и напряжения в материалах оказываются связанными с напряженностью электрического поля или с вектором электрического смещения.
Упругость тела обусловлена внутренними силами, возникающими в объеме твердого тела при его смещении из положения равновесия, т.е. из состояния при отсутствии сил. Силы можно описать через упругие напряжения Т, а перемещения - через деформации S.
В каждой точке однородного пьезоэлектрического диэлектрика компоненты тензора напряжений Tij зависят не только от компонентов тензора деформаций Sij, но также от напряженности электрического поля Е (или от вектора электрического смещения D). Для получения тензора напряжений Tij, необходимо преобразовать скалярное значение механического напряжения о в тензорный вид, то есть разложить на составляющие по каждой оси.
Распространение ПАВ в твердом теле описывается уравнением движения [6]:
где:
i, j - индексы, i, j=1, 2, 3
ρ - плотность пьезоплаты,
i
u - смещения точки на пьезоплате,
t - время,
ij
T - тензор механических напряжений,
j
X - направление оси.
i
ij
Согласно уравнению движения (3), смещения u напрямую зависят от T - тензора механических напряжений. Тензор механических напряжений задается равенством:
I
где:
i, j, k, l - индексы, i, j, k, l=1, 2, 3
ijkl
c - тензор упругих модулей, зависящий от свойств материала,
kl
S - тензор деформации, отражающий смещение точки вследствие воздействия внешней силы.
Таким образом, очевидно, что деформация и внешние механические воздействия непосредственно влияют на характер распространения ПАВ [6].
Имея распределение механического напряжения вдоль пьезосубстрата (полученное моделированием методом конечных элементов), с помощью волновых уравнений распространения ПАВ можно рассчитать относительное изменение скорости ПАВ Δv/v в зависимости от механического напряжения. Относительное изменение фазы ΔФ/Ф вдоль пьезосубстрата может быть определено по относительному изменению скорости ПАВ Δv/v и относительному изменению длины акустического пути Δl/l [7], в соответствии с уравнением:
В зависимости от направления векторов механического напряжения, скорость ПАВ изменяется знакопеременно. То есть, в областях сжатия скорость ПАВ увеличивается, а в областях растяжения - уменьшается.
На приведенных графиках (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7) представлена зависимость механического напряжения пьезокристалла (пьезоплаты) от температуры при использовании различных материалов исполнения чувствительного элемента (пьезоплата - пьезокварц или ниобат лития; деформирующий элемент - кремний или инвар). Согласно графикам, механическое напряжение пьезокристаллов линейно возрастает с увеличением температуры. В зависимости от требуемого разрешения датчика и диапазона измеряемых величин осуществляется выбор материалов.
Осциллограмма импульсной характеристики (фиг. 8) показывает зависимость ответного сигнала чувствительного элемента на ПАВ для измерения температуры на ЛЗ без деформирующего элемента и ЛЗ с деформирующим элементом, создающим механическое напряжение (по вертикальной оси - амплитуда; по горизонтальной оси - время). Под воздействием деформирующего элемента выходной сигнал второй ЛЗ с ДЭ значительно отличается от сигнала первой ЛЗ. Амплитуда на второй ЛЗ значительно уменьшилась, произошел сдвиг по фазе относительно сигнала с первой ЛЗ. Согласно приведенным выше графикам, изменение сигнала на второй ЛЗ также должно происходить линейно в зависимости от температуры.
Ввиду сильной зависимости параметров ПАВ от механического напряжения пьезоматериала, вызванного наличием деформирующего элемента, сенсор представляет собой высокоточное измерительное устройство, способное регистрировать малейшие изменения температуры.
Источники информации
1. Патент US 8240911 В1, МПК G01K 11/26, опубл. 14.08.2012.
2. Патент US 8299679 В2, МПК Н03Н 9/25, опубл. 30.10.2012.
3. Патент US 7434989 В2, МПК G01K 11/22, опубл. 14.10.2008.
4. Wireless passive SAW identification marks and sensors. L. Reindl, 2-nd Int. Symp. Acoustic wave devices for future mobile communicstion systems, Chiba univ., 2004, pp. 4-6.
5. Z. Sklar, P. Mutti, G.A.D. Briggs. «Elastic constants CONSTANTS of a stressed layer from surface acoustic wave measurements)), Department of Materials, University of Oxford.
6. Д. Морган. «Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах» ELSEVIER, 1985.
7. W.C. Wilson, G.M. Atkinson. «1st Order Modeling of a SAW Delay Line using MathCAD» NASA Langley Research Center, Virginia Commonwealth University.