Акустоэлектронный пав-сенсор

Авторы патента:

Двоешерстов Михаил Юрьевич (RU)

H03H9/25 - конструктивные особенности резонаторов с использованием поверхностных акустических волн

Владельцы патента RU 2371841:

ОАО "НПО "ЭРКОН" (RU)

Изобретение относится к акустоэлектронным устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано для определения физических и химических параметров газовых сред (жидкости), преимущественно для создания беспроводных дистанционных аналитических систем на основе ПАВ-сенсоров и систем радиочастотной идентификации. Акустоэлектронный ПАВ-сенсор содержит разделенные вакуумным зазором две монокристаллические пьезопластины, на внутренней поверхности одной из которых сформированы два идентичных, расположенных напротив друг друга встречно-штыревых преобразователя, один из которых входной передающий, служащий для преобразования входного электрического сигнала в электроакустическую волну, и выходной приемный, служащий для преобразования электроакустической волны λ в электрический сигнал; входной порт для входа газа или жидкости в вакуумный зазор; выходной порт для выхода газа или жидкости из вакуумного зазора. Толщины пьезопластин

Н₁, Н₂ меньше или сравнимы с длиной волны λ, а ширина вакуумного зазора Н меньше длины волны λ. Технический результат - повышение чувствительности и эффективности, что позволяет использовать изобретение при конструировании высокоэффективных акустоэлектронных анализаторов газа и жидкости. 6 ил.

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.

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 H₁, Н₂ 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

H₁, Н₂, 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).

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 v₀, а скорость акустической волны, распространяющейся в вакуумном зазоре с газом (жидкостью), как v₁, то эти скорости будут отличаться тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость газа (жидкости). Тип газа (жидкости) определяется ее диэлектрической проницаемостью.

Для того чтобы определить тип газа (жидкости) (диэлектрическую проницаемость), измеряется частота f₀ акустической волны, распространяющейся в вакуумном зазоре (2), и рассчитывается фазовая скорость v₀. В данном случае связь между частотой и скоростью устанавливается с помощью соотношения v₀=λ*f₀.

Когда газ (жидкость) проходит в вакуумном зазоре (2) через входной порт (4), измеряется частота f₁ акустической волны и рассчитывается фазовая скорость v₁. Частота f₁ 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 v₁=λ*f₁.

Таким образом, диэлектрическая проницаемость газа (жидкости), проходящего через вакуумный зазор (2), может быть определена по различию частот f₀ и f₁ или по различию скоростей v₀ и v₁.

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.

В качестве монокристаллических пьезопластин могут быть использованы: пьезопластина XY-среза ниобата лития (LiNbO₃, тригональная сингония), либо ниобата калия (KNbO₃, 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.

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 К² может быть очень высоким, что существенно увеличивает чувствительность сенсора.

На фиг.4 изображена рассчитанная зависимость величины К² и фазовой скорости волны V от относительной толщины вакуумного зазора (Н/λ) для пьезопластин LiNbO₃ XY-среза толщиной (H1/λ=H2/λ=0.1, 0.2, 0.5).

На фиг.5 показана рассчитанная зависимость фазовой скорости волны V от величины относительной диэлектрической проницаемости газа (eps) в системе двух пьезопластин LiNbO₃ 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.

Акустоэлектронный ПАВ-сенсор, содержащий разделенные вакуумным зазором две монокристаллические пьезопластины, на внутренней поверхности одной из которых расположены два идентичных расположенных напротив друг друга встречно-штыревых преобразователя, один из которых - входной передающий, служащий для преобразования входного электрического сигнала в электроакустическую волну, и выходной приемный, служащий для преобразования электроакустической волны в электрический сигнал; входной порт для входа газа или жидкости в вакуумный зазор; выходной порт для выхода газа или жидкости из вакуумного зазора, отличающийся тем, что толщины пьезопластин H₁, H₂ меньше или сравнимы с длиной волны λ, а ширина вакуумного зазора (Н) меньше длины волны λ.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиоэлектронной промышленности для создания генераторов сверхвысокочастотного диапазона.

Акустоэлектронный модуль на поверхностных акустических волнах // 2352055

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в приборостроении и электронной промышленности для корпусирования и герметизации изделий функциональной электроники.

Двухвходовый резонатор на поверхностных акустических волнах для измерения деформации // 2332640

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения деформации, а также сосредоточенных сил, давления газов и жидкостей.

Резонатор на поверхностных акустических волнах с неэквидистантным преобразователем для измерения деформации // 2331842

Устройство на поверхностных акустических волнах // 2295193

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в акустоэлектронных устройствах для обработки сигналов на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Реверсный преобразователь с естественной направленностью излучения поверхностных акустических волн (варианты) // 2158475

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в фильтрах промежуточных и несущих радиочастот для селекции сигналов в радиотелефонах, пейджерах, мобильных системах связи и т.д.

Пьезоэлектрический кристаллический элемент // 2127484

Изобретение относится к пьезоэлектрическому элементу, содержащему кристалл с по меньшей мере одной, в основном плоской плоскостью для акустического использования поверхностных волн.

Резонаторный фильтр на поверхностных акустических волнах // 1795536

Изобретение относится к акустоэлектрони ке и может быть использовано в радиоэлектронных узкополосных частотноселектирующих системах с повышенной частотной избирательностью .

Аттенюатор на поверхностных акустических волнах // 1737704

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве акустического плавно регулируемого аттенюатора и переключателя каналов. .

Двухвходовый резонаторный фильтр на поверхностных акустических волнах // 1721791

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в радиоэлектронных частотно-селектирующих системах, например, в узкополосных фильтрах и резонаторах, применяемых для стабилизации частоты задающих автогенераторов .

Прибор на поверхностных акустических волнах // 2383969

Изобретение относится к электронным приборам на основе поверхностных акустических волн

Резонатор на поверхностных акустических волнах с использованием отражателей в качестве нагревательных элементов // 2491712

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к устройствам стабилизации частоты резонатора на ПАВ, и может использоваться в устройствах, использующих высокостабильные резонаторы

Мультисенсорная акустическая решетка для аналитических приборов "электронный нос" и "электронный язык" // 2533692

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для физико-химического анализа жидких и газообразных сред. Достигаемый технический результат - повышение избирательности мод колебаний при увеличении числа датчиков возбуждаемых мод. Мультиплексорная акустическая решетка содержит плоскопараллельную пластину из пьезоэлектрического кристалла, имеющую кристаллографическую ось, лежащую в плоскости пластины и проходящую через условный центр пластины, встречно-штыревые преобразователи (ВШП), которые размещены симметрично парами на рабочей стороне пластины с образованием совокупности акустических каналов, направления распространения акустических волн в которых пересекаются в условном центре пластины, где имеется зона вокруг условного центра в форме круга для пробы, акустические каналы выполнены с возможностью возбуждения в пластине семейства пластинчатых мод колебаний с длиной волны, меньшей или равной толщине пластины. 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

Микроакустомеханический гироскоп // 2543706

Изобретение относится к акустоэлектронным приборам, предназначенным для преобразования угловой скорости вращения основания в электрический сигнал. Микроакустомеханический гироскоп содержит основание, структуру инерционных масс, размещенных в шахматном порядке, пьезоэлектрические преобразователи и измерительные ВШП суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс. На внешней поверхности несущего основания нанесена тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленными на ней регулярной структурой инерционных масс и измерительными ВШП для каждого из направлений вращения. При этом измерительные ВШП размещены симметрично относительно положения регулярной структуры инерционных масс и перпендикулярно осям вращения несущего основания. На внутренней поверхности несущего основания выполнен трапецеидальный выступ, большее основание которого обращено в сторону внешней поверхности несущего основания, активные пьезоэлектрические преобразователи установлены симметрично друг другу на боковых поверхностях трапецеидального выступа. Технический результат заключается в обеспечении преобразования угловых скоростей вращения несущего основания в электрические сигналы одновременно относительно двух осей вращения. 2 ил.

Пассивный беспроводный датчик на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода // 2581570

Изобретение относится к пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для дистанционного контроля различных физических и химических величин. Технический результат - исключение разрушения встречно-штыревых преобразователей (ВШП) и отражателей, повышение чувствительности и уменьшение затухания ПАВ. Для этого газочувствительный элемент выполнен из двух частей, одна из которых расположена внутри герметичного корпуса на пьезоэлектрическом звукопроводе между соседними отражателями ПАВ и содержит два вложенных друг в друга секционированных ВШП, причем секции первого ВШП имеют верхнюю общую шину, а секции второго ВШП имеют нижнюю общую шину, шины секций первого ВШП, расположенные между секциями второго ВШП соединены меандровым электродом, общим для обоих ВШП, при этом шинами первого ВШП является нижняя шина и меандровый электрод, а шинами второго ВШП - верхняя шина и меандровый электрод, а вторая часть газочувствительного элемента расположена вне герметичного корпуса и выполнена в виде двух газочувствительных пленок, имеющих одинаковый импеданс и выполненных в виде решеток параллельно соединенных наностержней окиси цинка, каждая газочувствительная пленка расположена на сапфировой подложке и имеет верхний и нижний электроды, которые подключены к шинам каждого из секционированных ВШП соответственно. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Многодиапазонная радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах // 2609012

Изобретение относится к пьезоэлектрическим приборам, в частности к пассивным меткам на поверхностных акустических волнах для систем радиочастотной идентификации. Технический результат: предотвращение искажения кодового сигнала, генерируемого меткой, и снижение потерь сигнала за счет последовательного соединения встречно-штыревых преобразователей (ВШП) различных акустических каналов и антенны в единую микрополосковую линию. Сущность: устройство состоит из антенны, пьезоэлектрической подложки и не менее двух акустических каналов с различными диапазонами рабочих частот. Каждый акустический канал расположен на пьезоэлектрической подложке и состоит из ВШП и не менее одного отражателя. ВШП всех акустических каналов соединены между собой последовательно, образуя с антенной единую микрополосковую линию. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Пассивный беспроводный датчик ультрафиолетового излучения на поверхностных акустических волнах // 2613590

Изобретение относится к области микроэлектроники и касается пассивного беспроводного датчика ультрафиолетового излучения. Датчик включает в себя пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой в одном акустическом канале находятся приемо-передающий однонаправленный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и два отражательных ВШП. Между отражательными ВШП параллельно поверхности подложки на расстоянии не более длины поверхностной акустической волны на центральной частоте ВШП расположена прозрачная для УФ-излучения диэлектрическая подложка с полупроводниковой пленкой, чувствительной к УФ-излучению. Пленка расположена на поверхности, обращенной к пьезоэлектрической подложке. К приемо-передающему ВШП подсоединена приемо-передающая антенна. Для обеспечения зазора между полупроводниковой пленкой и пьезоэлектрической подложкой расположены опоры, которые размещены вне акустического канала и по обе стороны от него. Технический результат заключается в обеспечении возможности проведения измерений без использования дополнительных схем генерации радиосигнала и источников напряжения. 1 ил.

Резонатор на поверхностных акустических волнах // 2643501

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для создания генераторов сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Технический результат заключается в повышении добротности резонаторов на ПАВ на высоких частотах более 1 ГГц. Резонатор содержит пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой сформировано не менее двух отражающих структур (ОС), состоящих из массивов отражателей с переменным или постоянным периодом, и, по меньшей мере, один встречно-штыревой преобразователь (ВШП), сформированный на обращенной к пьезоэлектрической подложке стороне диэлектрической пластины, установленной параллельно пьезоэлектрической подложке с зазором между диэлектрической пластиной и пьезоэлектрической подложкой. Отражатели в ОС могут быть выполнены в виде канавок. Встречно-штыревые преобразователи электрически соединены либо параллельно, либо последовательно, либо каскадно, или в комбинациях соединений. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.