ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
DETECTING ELEMENT FOR MEASURING MECHANICAL STRESS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения механических напряжений.
Известен чувствительный элемент для измерения механических напряжений, представляющий собой линию задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (Wireless passive SAW identification marks and sensors. L.Reindl, 2-nd Int. Symp. Acoustic wave devices for future mobile communicstion systems, Chiba univ., 2004), состоящий из двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на пьезоплате напротив друг друга. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. В качестве информационного сигнала используется время задержки. Недостатком этого чувствительного элемента для измерения механических напряжений является низкая чувствительность и точность измерения.
Известен также чувствительный элемент для измерения механических напряжений, представляющий собой одновходовый резонатор (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990, 584 с.), состоящий из структуры ВШП и металлизированных штыревых отражающих структур, расположенных по обе стороны от ВШП. Период следования штырей в отражающих структурах равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. В качестве информационного сигнала используется собственная (резонансная) частота резонатора. Недостатком этого чувствительного элемента для измерения механических напряжений является малая девиация частоты, и, как следствие, низкая чувствительность, и точность измерения.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является чувствительный элемент для измерения механических напряжений, представляющий собой дисперсионную линию задержки (Wireless passive SAW identification marks and sensors. L. Reindl, 2-nd Int. Symp. Acoustic wave devices for future mobile communicstion systems, Chiba univ., 2004), выбранный в качестве прототипа. Устройство-прототип состоит из структуры ВШП и отражающей дисперсионной структуры, выполненной в виде системы канавок с переменным периодом, расположенных на пьезоплате с одной стороны от ВШП. В качестве информационного параметра сигнала используется время задержки. Недостатком этого чувствительного элемента для измерения механических напряжений является малая девиация частоты информационного сигнала и, как следствие, низкая чувствительность и точность измерения.
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании устройства-прототипа, является следующий его недостаток: абсолютное значение девиации времени задержки ограничено геометрическими размерами пьезоплаты и потерями на распространение ПАВ в материале.
Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности измерения механических напряжений.
Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе для измерения механических напряжений, состоящем из пластины пьезоэлектрика, встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и отражающих структур (ОС), ОС состоят из групп отражателей, выполненных в виде канавок или штырей, расположенных по обе стороны от ВШП, при этом количество канавок или штырей в каждой группе равно N, а ОС с одной стороны от ВШП дополнительно смещены на (N-0,5) , λ - длина поверхностной акустической волны.
Расположение отражающих структур с двух сторон от ВШП позволяет использовать в два раза больше акустической энергии по сравнению с односторонним расположением отражающих структур.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 приведена структура чувствительного элемента для измерения механических напряжений;
на фиг.2 приведены части импульсных характеристик топологий, изображенных на фиг.1;
на фиг.3 приведена конфигурация механических напряжений, приводящая к линейному изменению скорости распространения ПАВ по подложке;
на фиг.4 приведен график зависимости нормированного уровня сигнала на выходе чувствительного элемента от величины деформации.
На фиг.1а) показан принцип формирования групп отражателей по обе стороны от ВШП. Исходная непрерывная ОС разбивается на группы, а затем каждая четная (нечетная) группа переносится по другую сторону от ВШП. В результате получается топология, показанная на фиг.1, б), причем импульсная характеристика этой топологии - прямоугольный радиоимпульс. На фиг.1, в) показано введение дополнительного сдвига между ОС по разные стороны от ВШП. Этот сдвиг в отсутствие механических напряжений приводит к практически полному противофазному сложению сигналов от ОС по разные стороны от ВШП. Это показано на фиг.2, где фиг.2, а) - часть импульсной характеристики топологии на фиг.1, б), а фиг.2, б) - часть импульсной характеристики топологии на фиг.1, в).
Сигнал на выходе чувствительного элемента будет определяться сверткой запросного сигнала - прямоугольного радиоимпульса с импульсной характеристикой чувствительного элемента. Для задач измерения механических напряжений нас будет интересовать не форма сигнала на выходе, а его максимальный уровень. По результатам расчетов в отсутствие деформации при использовании топологии на фиг.1, в) этот уровень будет гораздо меньше, чем при наличии деформации, что будет показано ниже.
Было установлено, что деформация определенного вида, показанная на фиг.3, приводит к тому, что скорость распространения ПАВ в подложке становится функцией пространственной координаты. С определенной степенью точности можно считать, что закон изменения скорости в подложке будет линейным, причем девиация скорости на краю подложки будет составлять порядка 0,001 от скорости в невозмущенном состоянии. Это приводит к тому, что ПАВ будет проходить разные участки подложки за разное время, что эквивалентно появлению частотной модуляции импульсной характеристики чувствительного элемента. Также изменяется дополнительно введенный временной сдвиг между сигналами от ОС по разные стороны от ВШП. Все эти факторы приводят к нарушению фазовых соотношений, обеспечивавших точное сложение сигналов от ОС по разные стороны от ВШП в противофазе. Также форма импульсной характеристики значительно усложняется за счет того, что во временной области примыкающие друг к другу части импульсной характеристики являются сигналами, отраженными от групп отражателей по разные стороны от ВШП, то есть у них противоположные наклоны законов частотной модуляции.
Сигнал на выходе чувствительного элемента при наличии деформации будет определяться сверткой запросного сигнала - прямоугольного радиоимпульса с модулированной импульсной характеристикой чувствительного элемента. Очевидно, что максимальный уровень этого сигнала будет больше, чем в случае отсутствия деформации. Было установлено, что уровень сигнала на выходе чувствительного элемента при отсутствии деформации пропорционален числу отражателей в группе, а уровень сигнала при наличии деформации пропорционален общему количеству отражателей на подложке. Чувствительность устройства определяется отношением этих величин. Для реальных структур приемлемое количество отражателей в группе около 10-ти, а общее число отражателей на подложке не более 1000. Таким образом, теоретически можно добиться примерно 100-кратного изменения амплитуды информационного сигнала при введении девиации скорости на краю подложки (деформации) порядка 0,001 от скорости в невозмущенном состоянии.
Если изменять величину девиации скорости (деформацию) от нуля до величины 0,001 от скорости в невозмущенном состоянии, то уровень сигнала на выходе чувствительного элемента будет монотонно возрастать от минимального до максимального значения, которые определяются, как было показано выше, параметрами отражающих структур.
На графике зависимости уровня сигнала от деформации (фиг.4) можно выделить квазилинейный участок, который может быть использован для измерения механических напряжений. Протяженность этого участка определяет диапазон измерений. Под деформацией в данном случае понимается отношение девиации скорости распространения ПАВ на краю подложки к скорости в невозмущенном состоянии. Уровень сигнала, нормированный к максимуму.
Таким образом, показано, что предложенная структура на ПАВ является весьма чувствительной к механическим напряжениям и потому может служить основой для построения высокочувствительных измерительных преобразователей и датчиков.
Чувствительный элемент для измерения механических напряжений (фиг.1) состоит из пьезоплаты 1, на которой сформированы отражающие структуры (ОС)2 и ВШП 3.
Пьезоплата 1 может быть выполнена из пьезоэлектрического материала (например, кварца).
ОС 2 состоят из групп отражателей, выполненных в виде канавок или штырей, расположенных по обе стороны от ВШП, при этом количество канавок или штырей в каждой группе равно N, а ОС с одной стороны от ВШП дополнительно смещены на , λ - длина поверхностной акустической волны.
Формирование ВШП реализовано по технологии фотолитографии и травления [1, 2]. Формирование канавок отражающих структур 2 реализовано по технологии травления через маску [2].
Устройство работает следующим образом.
При отсутствии механических напряжений пьезоплаты 1 импульсная характеристика устройства такова, что при подаче на вход чувствительного элемента зондирующего сигнала мы получим минимальный по уровню сигнал. Это достигается тем, что сигналы от ОС 2 по разные стороны от ВШП складываются в противофазе.
При возникновении механических напряжений, например под действием давления или деформации пьезоплаты, изменяется геометрический размер штырей (электродов) ВШП 3, расстояния между электродами, ширина и период следования канавок ОС. На фиг.3, а) показано изменение периода следования ОС 2 под действием деформации. В центре пьезоплаты 1 расположен ВШП 3. На фиг.3, б) показано изменение во времени частоты сигнала, формируемого приведенной выше топологией. При этом пунктирными линиями (---) показаны участки графика изменения частоты и соответствующие этим участкам части пьезоплаты 1. На фиг.3,в) показаны радиусы кривизны R при возникновении положительных и отрицательных механических напряжений на поверхности пьезоплаты 1. При этом по одну сторону от ВШП 3 напряжение и соответственно изменение скорости ПАВ будут иметь один знак, например положительный, а по другую сторону - отрицательный. Пунктирными линиями (-··-··-) показаны соответствующие точки пьезоплаты 1 на фиг.3,а) и в). В соответствии с изменением геометрических размеров [1, 2] изменяется во времени частота сигнала, формируемого приведенной топологией (фиг.3, б). Это приводит к нарушению фазовых соотношений, необходимых для сложения в противофазе сигналов от ОС по разные стороны от ВШП. Эти факторы приводят к возрастанию уровня сигнала на выходе чувствительного элемента, причем в пределах определенного диапазона монотонному увеличению механических напряжений соответствует монотонное увеличение уровня сигнала.
В качестве зондирующего сигнала используется прямоугольный радиоимпульс. При поступлении зондирующего сигнала от внешнего источника (на фиг.1 не показан) на ВШП 3 под действием пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Сформированная ВШП 3 ПАВ распространяется в двух направлениях от ВШП 3. Дойдя до отражающих структур 2, ПАВ отражается и возвращается на ВШП 3. Расположение ОС 2 с двух сторон от ВШП 3 позволяет использовать в два раза больше акустической энергии по сравнению с односторонним расположением ОС, т.е. в два раза увеличить амплитуду отклика чувствительного элемента для измерения механических напряжений.
При возникновении механических напряжений уровень сигнала на выходе чувствительного элемента будет возрастать, при этом максимально возможное отношение уровня сигнала при деформации к уровню сигнала в отсутствие деформации однозначно определяется параметрами отражающих структур.
Форма или, в частном случае, уровень сигнала на выходе чувствительного элемента измеряется, например, по амплитудно-частотной характеристике (например, с использованием сетевого анализатора Agilent Е5070В) [2]. На основе градуировочной зависимости (форма, уровень - механическое напряжение) изменению формы (уровня) сигнала на выходе можно соотнести величину механических напряжений.
Таким образом, предложенный чувствительный элемент для измерения механических напряжений является высокоточным устройством для измерения механических напряжений.
Источники информации
1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990, 584 с.
2. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990, 416 с.
3. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Теория и применение. М.: Советское радио, 1971 г., 568 с.